中科院侯剑辉Adv. Mater.:自组织法制备的倒置型有机太阳能电池的能量转换效率创新高！

【研究亮点】

1.首次在自组织法（self-organization method）制备的倒置型有机太阳能电池（OSC）中采用廉价的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为阴极界面层，表现出超强的稳定性。

2.自组织法制备的倒置型OSC的能量转换效率首次达到14.0%。

【成果简介】

中科院侯剑辉（通讯作者）课题组在自组织法制备的倒置型OSC中采用PVP作为阴极界面层和PBDB-TF:IT-4F作为活性层，能量转换效率达到13.3%，和逐步法（step-by-step method）制备的倒置型OSC相当，在光照下工作600小时后仍超过原来的30%，稳定性优异。他们还将自组织法应用在其他材料为活性层的倒置型OSC中，得到了目前为止最高的能量转换效率。这些成果表明了PVP作为阴极界面层在自组织法制备的倒置型OSC中具有巨大的潜力。这些成果已于近日发表在材料领域著名期刊Advanced Materials上。

【图文导读】

图1.（a）纯ITO和涂覆了PVP的ITO的光透过率谱图。PVP层的厚度不超过5nm。两条曲线完全重合，表明PVP层的透明性很好。内图是它们的原子力显微镜高度图，证明了PVP层太薄而不能使ITO表面平滑。

       （b）它们的紫外光电子能谱谱图。如图所示，后者的逸出功是3.5eV，比前者低了大约0.7eV，有助于提高ITO的电子提取能力。

       （c）水滴在纯ITO、PVP层、PBDB-TF层、IT-4F层表面上的照片。作者测量了水滴在PVP层、PBDB-TF层、IT-4F层上的接触角，来比较PVP和PBDB-TF、IT-4F的表面能。水滴在PVP层上的接触角较小，因此PVP具有较高的表面能。

       （d）纯ITO、涂覆了PVP的ITO和用氯苯洗去PVP的ITO的高能量分辨率的X射线光电子能谱谱图。ITO表面涂覆了PVP后，在大约400eV处出现强峰，表明ITO表面有PVP。用氯苯洗去PVP后，这个峰虽然强度降低，但依然存在，证实有PVP残留，进一步表明PVP和ITO之间存在强烈的分子相互作用。

图2.（a）PVP、PBDB-TF、IT-4F的化学结构。

       （b）PVP、PBDB-TF、IT-4F、ITO的能级。

       （c）自组织法和逐步法制备OSC的过程。自组织法是先将PVP加入PBDB-TF、IT-4F的氯苯溶液中，然后将混合溶液涂覆在ITO表面，让PVP和PBDB-TF、IT-4F在ITO表面自组装，而逐步法是先制备PVP层，然后制备PBDB-TF：IT-4F层。

       （d）无阴极界面层（ w/o CIL）的OSC、自组织法和逐步法制备的OSC的电流密度与电压 (J-V)曲线。表1是相关数据。这三种OSC的数据的对比表明PVP作为阴极界面层具有出色的性能以及两种制备方法制备的OSC的光伏性能相当。

       （e）三种OSC的外量子效率（EQE）曲线。

表1.三种OSC的开路电压(V_oc)、短路电流密度(J_sc)、填充因子(FF)、能量转换效率和串联电阻 (Rs) 。

图3.（a）纯石英和用不同方法涂覆PVP的石英的表面的活性层PBDB-TF:IT-4F的紫外-可见吸收光谱。三条曲线完全重合，表明三种OSC吸收的光一致。

       （b）三种OSC的光电流密度 (J_ph) 与有效电压 (V_eff) 曲线，用于测量激子解离效率。如图所示，PVP作为阴极界面层，OSC的激子解离效率较高。

       （c）三种OSC的开路电压与光强的关系。PVP作为阴极界面层的OSC的开路电压对光强的自然对数的斜率较低，表明PVP作为阴极界面层提高了激子解离效率，降低了陷阱辅助复合。

       （d、e）三种OSC的载流子密度（d）、载流子寿命（e）与光强的关系。从图中可以得知，载流子密度、载流子寿命与光强呈线性关系，以及PVP作为阴极界面层，提高了OSC的载流子密度和载流子寿命，促进了激子解离，抑制了陷阱辅助复合，因此有利于改善OSC的光伏性能。

      （f）三种OSC的暗场J-V曲线。在正向偏压处，PVP作为阴极界面层的OSC的饱和电流更高，而在反向偏压处，它们的泄漏电流和无阴极界面层的相当，表明从受体（IT-4F）的最低未占分子轨道（LUMO）到ITO的电子提取势垒降低，因此它们的整流比较高。

图4.（a）不同分子量的PVP作为阴极界面层的OSC（自组织法）的J-V曲线，表明OSC的性能与PVP的分子量关系不大，这有助于OSC在实际中的应用。

       （b）三种OSC在光照下的归一化的能量转换效率。如图所示，PVP作为阴极界面层，OSC的能量转换效率降低较慢，作者猜测这是由于PVP超薄和受到活性层保护的缘故。

       （c）PBDB-T:IT-M 、PBDB-TCl:IT-4F、 PBDTTT-T-E:IEICO 分别作为活性层的OSC的J-V曲线，表2是相关数据。这些OSC的制备方法也是自组织法，PVP作为阴极界面层和无阴极界面层对比的结果和PBDB-TF:IT-4F作为活性层时一致，尤其是PBDB-TCl:IT-4F作为活性层，能量转换效率为14.0%，是目前为止倒置型OSC的最高值。

       （d） PBDB-T、PBDB-TCl、PBDTTT-T-E、IT-M、IT-4F和 IEICO的分子结构。

表2.PBDB-T:IT-M 、PBDB-TCl:IT-4F、 PBDTTT-T-E:IEICO 分别作为活性层的OSC的开路电压、短路电流密度、填充因子、能量转换效率。

【小结】

自组织法制备的、PVP为阴极界面层、PBDB-TF:IT-4F为活性层的OSC的能量转换效率为13.3%，比无阴极界面层的10.1%高，这主要是因为开路电压和填充因子得到提高，而开路电压和填充因子得到提高要归因于降低了电子注入势垒，促进了激子解离，抑制了载流子复合，改善了载流子传输。这种OSC的性能与PVP的分子量关系不大，稳定性出色。自组织法还可应用在其它活性层的OSC上，当PBDB-TCl:IT-4F为活性层时，OSC的能量转换效率是14.0% 。因此，采用了PVP的自组织法在制备高性能的倒置型OSC很有前景。

文献链接：A Self‐Organized Poly(vinylpyrrolidone)‐Based Cathode Interlayer in Inverted Fullerene‐Free Organic Solar Cells

本文由材料人编辑部kv1004供稿，材料牛整理编辑。

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