侯剑辉&郑众Adv. Mater.：ZnO层的新制备方法助力高效稳定有机太阳能电池

01【导读】

氧化锌(ZnO)由于其优异的光电性能和简单的制备方法，在有机太阳能电池（OSCs）中得到了广泛的应用。尽管过去已经设计了多种多样的阴极界面材料，但是ZnO由于其优异的综合性能仍然是不可或缺的。然而，ZnO/本体异质结（BHJ）界面上非富勒烯受体的胺残基诱导的降解显著降低了填充因子(FF)和开路电压(V_oc)。因此，迫切需要开发一种方法来彻底去除ZnO阴极界面层(CIL)中的胺残留物，而不损坏ZnO本体。

02【成果掠影】

近日，中科院化学所侯剑辉研究员和北京科技大学郑众教授等人报道了一种简单、有效、经济的方法，用硼酸(BA)去除溶胶-凝胶ZnO CIL中残留的胺而不损伤ZnO。BA被用作胺清洗剂，因为其具有合适的酸离解常数(pK_a)以避免ZnO分解。X射线光电子能谱(XPS)结果表明，由于BA的冲洗，残留的胺可以被有效地去除。ZnO的功函数(Φ)可以从3.86 eV改变到3.79 eV，导致基于PBDB-TF:HDO-4Cl:BTP-eC9的OSCs的V_oc增加10 meV。此外，清洗后的ZnO CIL在电子提取能力方面表现出明显的改善，例如BA处理的ZnO中的电子提取可以在44.29 ns内完成(比原始ZnO快33.64%)。另一方面，ZnO CIL的电荷收集能力增强，ZnO CIL的功函数有利于实现更高的V_oc。ZnO CIL的改进性质将PBDB-TF:HDO-4Cl:BTP-eC9 OSC的FF从75.07%提高到78.13%，并且将PBDB-TF: BTP-eC9 OSC的FF从73.97%提高到77.28%。基于上述结果，优化的单结OSCs的稳定性和功率转换效率(PCE)同时提高。活性面积为0.04和1.00 cm²的电池分别表现出18.40%和17.42%的PCEs。此外，基于BA处理的ZnO CIL的串联OSCs表现出19.56%的PCE，证明了所提出方法的有效性。

相关研究文章以“New Method for Preparing ZnO Layer for Efficient and Stable Organic Solar Cells”为题发表在Adv. Mater.上。

03【核心创新点】

本文提供了一种新的ZnO CIL制备方法，有效地去除了胺残留物而不损伤ZnO本体。

04【数据概览】

图一、a)处理前ZnO的FT-IR数据。b)BTP-eC9和BTP-eC9/EA溶液的吸收光谱。c)加工过程的示意图。d) 处理前ZnO和ZnO/BA的XRD。PDF#36-1451 (Jade)是纤锌矿ZnO的标准图谱。e) 处理前ZnO、ZnO/苯酚、ZnO/BA和ZnO/乙酸的吸收光谱。f，g) 处理前ZnO和ZnO/BA的AFM高度图像。h–k) 处理前ZnO和ZnO/BA的接触角。© 2022 Wiley

图二、处理前ZnO和ZnO/BA的XPS光谱。a) C 1s，b) N 1s，c) Zn 2p_1/2，d) Zn 2p_3/2，e) O 1s，和f)B信号的强度。© 2022 Wiley

图三、a)研究的CILs的UPS数据。b)基于所研究CILs的器件的Mott–Schottky图。c)在没有偏置白光的情况下，在488 nm的激发下，具有所研究的CILs的反式OSCs的TPC。d)在具有不同CILs的OSCs上测量的阻抗谱的奈奎斯特图。数据由Schottky等效电路模型拟合，其中R_s是串联电阻，C_g是几何电容，R_t是传输电阻，C_n是化学电阻，R_rec是复合电阻。© 2022 Wiley

图四、a)本工作中使用的给体和受体。b)本工作所涉及材料的能级图。c)经过各种处理的器件的J-V曲线。活性层为PBDB-TF:HDO-4Cl:BTP-eC9。d)基于具有PBDB-TF:HDO-4Cl:BTP-eC9活性层的CILs的最佳器件的EQE光谱。e)经过各种处理的器件的J-V曲线。活性层分别是A: PBDB-TF:BTP-eC9P3HT，B: PBDB-TF:IT4F，C: PPDT2FBT:PC71BM，D: P3HT:PC71BM。f)空气稳定性。在AM 1.5G下，标准化PCE作为OSCs在空气中储存时间的函数。温度为65°C，相对湿度为30%。串联OPV电池的原理图、J-V曲线和EQE曲线。J)基于1.0 cm² PBDB-TF:HDO-4Cl:BTP-eC9电池的器件的J-V曲线。© 2022 Wiley

05【成果启示】

本工作将溶胶-凝胶ZnO CIL中残留的胺通过用BA冲洗有效地去除，留下完整的纤锌矿ZnO。这种方法对BHJs的突出通用性显示了在未来的应用中的巨大潜力。

原文详情：Wang, Y., Zheng, Z., Wang, J., Liu, X., Ren, J., An, C., Zhang, S., Hou, J., New Method for Preparing ZnO Layer for Efficient and Stable Organic Solar Cells. Adv. Mater. 2022, 2208305. https://doi.org/10.1002/adma.202208305

本文由景行供稿