【文章導讀】
近日，華中科技大學周印華教授團隊報道以PBDB-T-2F：IDIC：Y6為光吸收活性層，全溶液處理製備非富勒烯有機太陽能電池。在不使用ITO和真空蒸發的情況下，對包括電極和基板在內採用溶液製備。
在PEDOT：PSS和NF活性層之間引入了經過溶液處理的HXMoO3，以解決電荷提取問題並解決PEDOT：PSS在疏水錶面活性層上的潤溼問題，處理過的HXMoO3的費米能級（-5.44 eV）更加接近PBDB-T-2F的HOMO（-5.54 eV），並且獲得了有效的能級匹配，以有效收集空穴。製備出光電轉化效率高達11.9%的全溶液非富勒烯太陽能電池。
該研究成果發表在Adv. Mater，題為FlexibleAll-Solution-Processed Organic Solar Cells with High-Performance NonfullereneActive Layers。
【研究背景】
為了獲得高性能的全溶液法制備的有機太陽能電池(OSC)，需要採用高效非富勒烯材料(NF)材料作為吸光的有機活性層。高性能NF受體（例如Y6，IT-4F和IEICO-4F）通常包含末端氫原子的氟（F）取代基。F取代具有更大的分子極性，可以減少的電壓損失，增加可見光的吸收係數，和利於電荷的分離和運輸。
但是，與其他受體相比，F取代還會導致：（1）較低的表面能；低表面能不利於水性聚（3,4-乙二氧基噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）在其表面分散。在PEDOT：PSS中添加表面活性劑已採用以提高其潤溼性。但是，添加表面活性劑會一直空穴的抽取。（2）最高的佔據分子軌道（HOMO）。Y6和IT-4F都具有F替代具有-5.62和-5.71 eV的深HOMO。
相應的聚合物供體用於與Y6匹配並且IT-4F也被F替代（PBDB-T-2F）具有−5.54 eV的HOMO。PBDB-T-2F具有深HOMO能級，遠低於PEDOT：PSS的費米能級，兩者之間接觸會導致電荷提取問題，並且開路電壓（VOC）下降。聚合物給體材料HOMO和PEDOT：PSS的費米能級之間不匹配，會導致開路電壓明顯降低。解決可印刷水性電極PEDOT：PSS表面的潤溼問題以及能級匹配問題，是實現高效的全溶液製備非富勒烯太陽能電池的關鍵。
【文章詳情】
圖1.a）全溶液法制備的有機太陽能電池的器件結構。b）用於製備每一層的材料的溶液。c）全溶液法制備的面積分別為0.04 cm2和1 cm2的有機太陽能電池的圖片。d）有機太陽能電池的能級圖。e）活性層中使用的PBDB-T-2F，IDIC和Y6的化學結構。
圖2. a) 非全溶液法制備的器件的光照和暗態J-V曲線。b)全溶液法制備的器件的光照和暗態J-V曲線。c)全溶液法制備的器件的光照和暗態J-V曲線(器件面積1cm2)。d)總結目前報道全溶液法制備的器件性能對比。
圖3.a）通過轉移印法制備PEDOT：PSS的示意圖。b）在HXMoO3頂部獲得的PEDOT：PSS膜照片；c）HXMoO3薄膜被PEDOT：PSS溶解的照片。d）HXMoO3溶液不同溶解時間的吸收光譜。e）HXMoO3溶液不同溶解時間製備的薄膜的功函數（WF）。f）對滴在不同反應時間下HXMoO3溶液製備的薄膜的接觸角。
圖4.a，b）不同反應時間HXMoO3的Mo 3d和O 1s的XPS光譜。c）HXMoO3的接觸角和-OH比與反應時間的關係圖。d）這些具有不同反應時間的HXMoO3產物的拉曼光譜。
【全文總結】
在這項工作中，研究者通過全溶液法制備非富勒烯有機太陽能電池，製備出的小面積器件（0.04 cm2），光電轉化效率為11.9％，大面積器件（1 cm2）的光電轉化效率％。該方法，從底部基板到頂部電極的器件中的所有層都經過溶液來完成製備。這種方法為製備全印刷大面積有機太陽能電池，提供很好的借鑑意義。
【團隊介紹】
周印華：教授，博士生導師，第五批“青年千人”，主要從事有機光電子材料與器件方面的研究工作。已在Science、Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials,Advanced Functional Materials，Materials Horizons等雜誌上發表多篇學術論文，被引用3000餘次。申請中國專利6項，申請美國專利3項。研究方向：有機光電材料與器件，有機太陽能電池及模組，導電聚合物電極，器件界面調控課題組網站：http://www.yhzhougroup.com/
【參考文獻】
Lulu Sun, Wenwu Zeng, Cong Xie, Lin Hu,Xinyun Dong, Fei Qin, Wen Wang, Tiefeng Liu, Xueshi Jiang, Youyu Jiang, andYinhua Zhou*. FlexibleAll-Solution-Processed Organic Solar Cells with High-Performance NonfullereneActive Layers. Adv. Mater. 2020, 1907840
文章鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201907840
感謝Material Devices供稿
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