顆粒在線訊：有機光伏邁上新紀元

2015年，南開大學陳永勝教授團隊開始進行有機疊層太陽能電池研究。2018年，其團隊驗證了效率為17.3%的光電轉(zhuǎn)化效率（PCE），將有機太陽電池的研究推向了一個新的高度。其研究成果也大大提升了人們對于有機太陽能電池的信心。

之后，有機太陽能電池的PCE不斷被刷新。今年8月份，中科院化學所的侯劍輝研究員團隊與蘇州大學張茂杰教授團隊合作，采用基于PBDB-TF:ITCC和PBDB-TF:BTP-eC11的體系分別構(gòu)建了串聯(lián)OPV器件的底部子電池和頂部子電池，實現(xiàn)了高達19.64%的PCE，認證為19.50%。

雖然從最佳串聯(lián)電池中獲得了創(chuàng)紀錄的PCE，但兩個子電池之間的光吸收競爭保持在400-700 nm的范圍內(nèi)，并且底部子電池中的電壓損失仍然大于頂部子電池中的電壓損失（0.65 V vs 0.51 V）。因此，進一步提高串聯(lián)OPV器件的PCE仍有很大的空間。

12月29日，中科院化學所的侯劍輝研究員團隊報道了利用串聯(lián)式有機太陽能電池的先進互連層（ICL，由電子束蒸發(fā)的TiOx(e-TiOx)/PEDOT：PSS組成）首次實現(xiàn)了有機太陽能電池超過20%的效率，這將開啟有機太陽能電池的新篇章。該工作以題為“Tandem Organic Solar Cell with 20.2% Efficiency”發(fā)表在《Joule》上。

【電子束蒸發(fā)制備ICL】

分子結(jié)構(gòu)和電子束蒸發(fā)圖如圖1A所示。在電子束蒸發(fā)過程中，金紅石相TiOx將轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)沉積物，有利于均勻膜的形成。沉積的e-TiOx扁平、均勻、致密、耐酸，使PEDOT：PSS能夠加工成光滑、致密的薄膜。通過精確控制氧氣，可以改變沉積物的化學式、能級、相對介電常數(shù)（εr）和摻雜密度(Nd)。因此，優(yōu)化了底部子電池中BHJ的電荷提取和ICL中的電荷重組。不同O2通量下25 nm e-TiOx的吸收光譜如圖1B所示。如圖1H-1K所示，微調(diào)后的沉積過程保證了在PBDB-TF：GS-ISO/e-TiOx/PEDOT：PSS中的整潔的界面。

圖1. 關(guān)鍵材料、電子束蒸發(fā)和沉積物的結(jié)構(gòu)特征

【串聯(lián)式器件的設(shè)計】

采用玻璃/ITO/PEDOT：PSS/PBDB-TF：GS-ISO/e-TiOx/PEDOT：PSS/PBDB-TF：BTP-eC9/PDINN/銀的器件結(jié)構(gòu)串聯(lián)OSCs，可以實現(xiàn)平坦、均勻的ICL。如圖2A所示，通過串聯(lián)OSC的橫斷面圖像，可以清楚地顯示出ICL中的各個層。e-TiOx保證的ICL中整潔的界面，有利于電荷提取和串聯(lián)OSC的構(gòu)建。如圖2B-2D展示了不同氧通量下形成的e-TiOx的化學公式。較高的氧通量導致鈦離子計算價的增加。圖2E中用紫外光光電子能譜儀(UPS)研究了e-TiOx的能級。在器件中，PBDB-TF：GS-ISO的費米能級（EF）比e-TiOx的更深，表明PBDB-TF：GS-ISO/e-TiOx連接處內(nèi)置電場方向從e-TiOx到PBDB-TF：GS-ISO，有利于電荷提取。

圖2. 沉積物的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)

【電荷提取與傳輸?shù)男再|(zhì)】

為了準確評價PBDB-TF：GS-ISO/e-TiOx界面的電荷提取和整體e-TiOx中的電荷傳輸，需要對e-TiOx的εr和Nd進行測試，以供進一步研究。如圖3A所示，e-TiOx在0 Hz時的εr可以由在103 Hz時的值推導出來。對于e-TiO1.62、e-TiO1.76和e-TiO1.89，εr分別為130.81、64.00和51.41。εr值的降低可歸因于e-TiO1.76和e-TiO1.89中氧空位(VO)含量的抑制。使用εr，PBDB-TF：GS-ISO和e-TiOx的Nd可以通過電容-電壓(C-V)圖中線性區(qū)域的斜率來計算。PBDB-TF：GS-ISO、e-TiO1.62、e-TiO1.76和e-TiO1.89的Nd分別為5.85X1010, 6.34X1016, 3.71X1016和1.97X1014 cm-3。利用εr和Nd，可以計算出PBDB-TF：GS-ISO/e-TiOx結(jié)處的e-TiOx側(cè)的空間電荷積累區(qū)域的寬度。在作者的串聯(lián)OSCs中，e-TiOx的所有厚度均為25 nm。這意味著除了PBDB-TF：GS-ISO/ e-TiO1.89外，PBDB-TF：GS-ISO/ e-TiO1.62和PBDB-TF：GS-ISO/e-TiO1.76顯示了超薄的空間電荷積累區(qū)域，因此e-TiOx的體電導率和界面電導率都有利于電荷傳輸。

圖3. 沉積物的光電特征

【串聯(lián)電池的性能與穩(wěn)定性】

PBDB-TF：BTP-eC9被用做頂部子電池。獲得了0.85 V的Voc、26.41 mA/cm2的Jsc、77.69%的FF和17.44%的PCE。使用的e-TiO1.76串聯(lián)電池PCE高達20.27%，認證為20.0%。Jsc通過圖4F中外部量子效率(EQE)譜計算的Jsc驗證，偏差小于3%。作者對電池的穩(wěn)定性也進行了研究。在1個陽光光照下降解456 h后，使用e-TiO1.76/PEDOT：PSS ICL的電池的PCE明顯高于e-TiO1.62/PEDOT：PSS ICL和e-TiO1.89/PEDOT：PSS ICL的電池。

圖4. 串聯(lián)式OSCs的性質(zhì)

總結(jié)，作者首次實現(xiàn)了超過20% PCE的有機太陽能電池。由于e-TiO1.76/PEDOT：PSS ICL的界面整潔、高電導率、合適的能級和低肖特基勢壘，相應(yīng)的串聯(lián)OSC表現(xiàn)出高達20.27%的PCE。該研究結(jié)果標志著有機太陽能電池領(lǐng)域20%時代的到來。