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国科大肖泽云课题组EES: 打破界面分子对称性提升有机光伏电荷提取

邃瞳科学云

2024-12-21

导读：本研究报道了一种名为BrDECz非对称的SAM分子，用于高效空穴传输层的OSC中。引入邻位-二甲氧基苯基基团增强了电子供给性质，增加了环上的电子密度。同时，我们保留溴原子以创建非对称构型，从而增强偶极

第一作者：刘磊，余丰译

通讯作者：肖泽云，段泰男，胡定琴教授

通讯单位：中国科学院重庆绿色智能技术研究院

论文DOI：10.1039/D4EE04515G

全文速览

分子的对称性对其电子结构、偶极矩、静电势以及分子间相互作用起着关键作用。在有机太阳能电池中，通过破坏材料的对称性可以实现供体和受体间的有效电荷分离。分子对称性长期以来一直是操控分子组装和电子性质的基本概念。上述研究表明进一步SAM材料设计尤其是对称性控制具有重大潜力，以充分发掘和利用其能力。在此，我们报道了一种名为BrDECz非对称的SAM分子，用于高效空穴传输层的OSC中。引入邻位-二甲氧基苯基基团增强了电子供给性质，增加了环上的电子密度。同时，我们保留溴原子以创建非对称构型，从而增强偶极矩并降低HOMO能量水平。这种设计策略导致了更高的WF和更低的表面能，有利于空穴提取。因此，经过BrDECz处理的PM6:BTP-eC9 的OSC展示了19.67%（0.1 cm²）的冠军PCE，短路电流密度显著达到了28.85 mA/cm²。Voc达到0.87 V。所达到的19.67% PCE处于已报道的二元单结OSCs的最佳值之列。此外，BrDECz在PM6:L8-BO和PM6:Y6系统中也表现出类似的良好效果，表明自组装非对称空穴传输层的广泛应用性和有效性。我们的非对称界面分子策略进一步解锁了SAMs实现高性能OSCs的潜力。

背景介绍

有机太阳能电池（OSCs）相较于传统的硅基太阳能电池提供了若干优势，例如重量轻且可通过溶液处理，使其成为未来光伏技术的一个有吸引力的选择。材料设计对于提升OSC的效率、稳定性和可扩展性至关重要。除了活性层的材料修改和形态控制外，界面工程已被证明是提升OSC性能的有效策略。当前的研究越来越集中在优化空穴传输层和电子传输层，特别注重改进空穴传输层。在OSC发展的早期阶段，最广泛使用的空穴传输层是聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）。随着光伏材料种类的不断增加，PEDOT:PSS与活性层之间的兼容性和能级可能不是最优的。许多努力都集中于合理地修改PEDOT:PSS以减少其酸性，并加入添加剂来优化其功函数和稳定性。同时，设计新型的空穴传输材料对于克服PEDOT:PSS的限制以追求更高效的OSCs至关重要。

本文亮点

研究团队通过引入供电子基团和吸电子基团至SAM，成功构建了具有不对称结构的界面材料。这种非对称性不仅诱导了更大的偶极矩，还优化了能级排列，并提高了吸附能和电导率。这些特性均通过KPFM和C-AFM测量得到了验证。瞬态技术测试进一步证明，这些因素共同促进了电荷的高效提取与收集。因此，在二元单结OSC中实现了高达19.67%（0.1 cm²）的PCE。

通过瞬态吸收光谱测试载流子动力学，在BrDECz界面中，采用非对称推拉策略不仅调节了界面层的能量水平并有效降低了电极的工作函数（WF），而且还增加了偶极矩，增强了BrDECz与电极之间的相互作用，并为电荷提取开辟了更多通道。

图文解析

通过DFT计算以及UPS测试得到偶极矩的增大，能级匹配，功函数合适，表面吸附能力更强，这对于界面的电荷提取能力，以及稳定性有着至关重要的联系。了解材料本身的性质至关重要。

KPFM测试了材料成膜后的电势分布情况，XPS测试证明了材料附着在ITO上、电导率以及C-AFM测试，证明了材料成膜后的导电情况。

J-V曲线以及EQE证实器件的真实性以及测试了材料的普适性。此外，所设计的非对称BrDECz界面层表现出广泛的适用性。

瞬态吸收（TA）光谱进一步探测了由SAM支持的混合薄膜上的激发动力学。如图6c所示，相较于DECz和BrCz支持的混合薄膜，BrDECz支持的混合物表现出最慢下降的ΔA值，导致最低的电荷复合。对称的BrCz具有较大的界面复合量。通过引入电子供体o-二甲氧基苯基基团，在DECz界面处由激子解离产生的空穴可以快速积累，这也在Jph−Veff特性（图5）中得到了证实。然而，空穴提取效率仍然受限。

在BrDECz界面中，采用非对称推拉策略不仅调节了界面层的能量水平并有效降低了电极的工作函数，而且还增加了偶极矩，增强了BrDECz与电极之间的相互作用，并为电荷提取开辟了更多通道。这一策略在减少界面（表面）复合的同时，使推拉配置在提高空穴提取速率方面更加有效地发挥作用。非对称的SAM显著增强了界面处的电荷传输，这反映在增加的短路电流密度（JSC）上。此外，它在减少界面处陷阱辅助复合的作用在改善填充因子（FF）中很明显，最终导致OSCs整体功率转换效率的提升。

总结与展望

本研究合理设计了一种高度可行的非对称自组装单层（SAM）材料BrDECz，使用邻位-二甲氧基苯基和溴基团作为推拉手柄，以增强偶极矩、吸附能和导电性，从而在有机太阳能电池（OSCs）中实现高效的空穴提取。BrDECz界面层的应用在PM6:BTP-eC9 的OSCs中实现了卓越的19.67%的光电转换效率，超过了传统的PEDOT:PSS以及基于对称DECz和BrCz的器件。重要的是，机制研究表明，非对称的BrDECz促进了快速的电荷提取，抑制了表面和陷阱辅助的复合，因此有助于更高的器件参数。此外，这种非对称的BrDECz表现出优越的通用性和稳定性。这些发现为开发提升OSCs光伏性能和稳定性的SAM提供了一种新的策略。