有機(jī)太陽(yáng)能電池中，界面間機(jī)械接觸的緊密程度會(huì)對(duì)其電接觸產(chǎn)生很大的影響，電接觸控制著有機(jī)光伏電池的電荷收集概率，從而影響電池的功率轉(zhuǎn)換效率。
近日重慶大學(xué)的柔性可再生能源材料與器件(La FREMD) 團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院重慶研究院的陸仕榮團(tuán)隊(duì)和韓國(guó)國(guó)立蔚山科學(xué)技術(shù)院的Chungduk Yang團(tuán)隊(duì)，通過(guò)引入氯鉑酸對(duì)PEDOT:PSS 進(jìn)行摻雜并應(yīng)用于PM6:Y6高效OPV體系中，利用鉑原子與給體材料的相互作用，在界面處形成了類似分子鎖的緊密機(jī)械接觸。
該方法提高了給體材料在靠近界面處的堆積和有序性，陷阱輔助復(fù)合得到抑制，載流子壽命提高了一倍以上，實(shí)現(xiàn)了77%的填充因子和16.5%的光電轉(zhuǎn)換效率。相關(guān)成果發(fā)表在《ACS Applied Materials &Interfaces》 (DOI：10.1021/acsami.0c06759)。博士生楊可和陳姍姍博士為共同第一作者，重慶大學(xué)的孫寬研究員和中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院的陸仕榮研究員、肖澤云研究員為共同通訊作者。
該團(tuán)隊(duì)曾報(bào)道過(guò)向PEDOT:PSS (PH1000)中加入一定量的氯鉑酸能夠提高其功函數(shù)和電導(dǎo)率 (Adv. Electron. Mater.2017, 3, 1700047)。但是當(dāng)對(duì)氯鉑酸的摻雜量在器件中進(jìn)行優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)在PEDOT:PSS (4083)中，最優(yōu)摻雜濃度僅為之前工作的十分之一，在此摻雜濃度下，薄膜電導(dǎo)率的提升微乎其微，在器件中也沒(méi)有觀察到開(kāi)路電壓的提高，并且器件效率的提升僅發(fā)生在活性層進(jìn)行了熱退火的樣品中。
作者根據(jù)前期一篇界面工作中觀察到的現(xiàn)象(ACS Appl. Mater. Interfaces,10, 39962-39969)，推測(cè)摻雜后可能會(huì)對(duì)界面處的相互接觸產(chǎn)生影響，對(duì)PEDOT:PSS薄膜在摻雜前后的表面能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的變化，數(shù)值上僅從70mNm-1提高到了71 mN m-1。而當(dāng)使用膠帶進(jìn)行粘附性測(cè)試時(shí)卻意外的發(fā)現(xiàn)在未摻雜的樣品中，活性層很容易被膠帶剝離，但是在氯鉑酸摻雜后的樣品中，活性層的膠帶剝離則變得十分困難（圖1）。這樣的結(jié)果說(shuō)明光活性層與氯鉑酸摻雜后的界面之間存在較強(qiáng)的結(jié)合力。
為了進(jìn)一步確認(rèn)這種界面作用力的存在以及明確作用力主要來(lái)自于混合膜中的給體還是受體，作者對(duì)制備好的PM6:Y6混合膜以及PM6和Y6的純膜樣品使用氯仿進(jìn)行浸泡和沖洗，并進(jìn)行了接觸角和吸收測(cè)試。如圖2所示，氯仿清洗后，在未摻雜樣品中，沒(méi)有觀察到明顯的接觸角變化和吸收信號(hào)，而在氯鉑酸摻雜后的樣品中則觀察到了顯著的PM6殘留。
為了排除清洗程度的影響，作者還對(duì)清洗后的樣品進(jìn)行了氯仿浴超聲清洗。如圖3所示，即使經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)的氯仿超聲，依然能觀察到明顯的PM6吸收特征，接觸角也沒(méi)有明顯變化。這個(gè)結(jié)果證明了在界面處的確存在著一種較強(qiáng)的相互作用力。FTIR和XPS的表征結(jié)果證明，該相互作用主要來(lái)自于PM6中羰基與鉑離子的配位。
那么這樣的相互作用是如何對(duì)器件表現(xiàn)產(chǎn)生影響的呢，作者通過(guò)改變GIWAXS的掠入射傾角，對(duì)活性層不同深度范圍內(nèi)的堆積情況進(jìn)行了測(cè)試。如圖4所示，掠入射角在0.08°/0.12°/0.15°處變化，提供了分子垂直分布和堆積結(jié)構(gòu)的信息。在0.08°的掠入射角下，也就是在活性層的表面，無(wú)論是PEDOT還是CPA-PEDOT樣品，都表現(xiàn)出明顯的Y6特征。在0.12°（臨界角）的掠入射傾角下，PEDOT和CPA-PEDOT樣品的散射強(qiáng)度都有明顯的增強(qiáng)。特別是基于CPA-PEDOT的樣本顯示出更高的強(qiáng)度和可分辨的PM6特征。在0.15°的較大掠射角下，也就是在光活性層的底部，CPA-PEDOT中~0.9? -1處的散射信號(hào)更為明顯（圖中紅色箭頭所示）。值得注意的是，~0.9 ? -1附近的峰主要是由PM6聚合物給體引起的，這意味著在CPA-PEDOT附近有著分布更密集堆積更有序的PM6，這些特性有利于垂直電荷輸運(yùn)，這是提高CPA-PEDOT電池載流子壽命和減少陷阱輔助復(fù)合的關(guān)鍵因素。
為了驗(yàn)證和推廣這種作用，作者還對(duì)P3HT和PBDB-T-SF兩種給體材料體系進(jìn)行了相同的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在缺少BDT羰基的P3HT中并沒(méi)有表現(xiàn)出類似的效果，而在有相同BDT羰基的PBDB-T-SF中則能觀察到類似的效率提升。
該工作開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單可行的方法，在OPVs中形成PM6給體與HTL之間的分子鎖。這種分子間的相互作用導(dǎo)致了PM6在HTL附近的良好垂直分布及有序堆積，從而抑制了陷阱輔助復(fù)合，延長(zhǎng)了載流子壽命。這種增強(qiáng)界面不僅提高了光伏電池的性能，而且對(duì)柔性或可伸縮的OPV器件也將有很大的幫助。
文章鏈接：
