有機太陽能電池（OSCs）近年來在光伏領域備受關注，其低成本、輕薄柔性和可大面積制備的優勢，使其在建筑一體化、柔性電子等領域具有巨大的應用潛力。然而，有機太陽能電池的效率和穩定性仍然面臨挑戰，其中一個關鍵問題是陰極界面層（CIL）的性能限制。
在最近發表在《先進能源材料》期刊上的重要研究中，由深圳職業技術大學胡漢林教授、香港理工大學李剛教授以及河南科技學院張萬慶教授等共同領導的團隊，揭示了一種利用多酚化合物改善有機太陽能電池陰極界面層的突破性策略，成功提升了有機太陽能電池的效率和穩定性，為推動有機太陽能電池的應用發展邁出了重要一步。
【多酚優化陰極界面層：突破性新策略】
有機太陽能電池的陰極界面層在電荷傳輸和提取過程中起著至關重要的作用。然而，由于CIL 的功函數較高以及與活性層的接觸不夠良好，會導致較高的界面陷阱復合，從而降低了電荷提取效率，影響電池的性能。
這項研究中，研究團隊提出了一種新穎的方法，通過引入多酚化合物——三羥基苯甲酸 (TBA) 來優化 CIL 的電荷注入和提取過程。 通過調節 TBA 的加入量，他們成功降低了 PDINN 陰極界面層的功函數，從 4.14 eV 降至 3.80 eV，并使電荷收集效率達到了 91.23%。
多酚鈍化技術能優化有機太陽能電池效率的突破主要有以下幾個原因：
l 鈍化表面缺陷： 在有機太陽能電池中，活性層表面通常存在許多缺陷，這些缺陷會導致電子-空穴復合，降低電池的光電轉換效率。多酚鈍化技術通過在活性層表面形成一層鈍化層，可以有效地鈍化這些表面缺陷，減少電子-空穴復合，從而提高電池效率。
l 提升界面接觸質量： 有機太陽能電池的性能很大程度上依賴于電極與活性層之間的界面接觸質量。多酚鈍化層能夠改善界面接觸，促進電荷傳輸，減少界面電阻，從而提升整體電池的光電轉換效率。
l 抑制光降解： 有機材料容易受到光照的影響而降解，這會導致電池性能的衰減。多酚具有強抗氧化能力，能夠有效地抑制有機材料的光降解，提高電池的長期穩定性和使用壽命。
l 調節能級匹配： 多酚鈍化層可以通過調節其厚度和化學組成，優化有機太陽能電池中的能級匹配。這有助于更有效地進行電荷分離和傳輸，提高開路電壓和填充因子，進一步提升電池效率。
l 增強材料兼容性： 多酚是一類具有良好生物兼容性的材料，其引入不會對有機太陽能電池材料造成有害影響。此外，多酚的分子結構多樣性使其在與各種有機光伏材料結合時具備高度的兼容性和可調性。
【多酚鈍化技術：實現高效和穩定性】
研究團隊使用這種方法制備了以PM6:BTP-ec9 為活性層的雙組分有機太陽能電池。結果表明，使用多酚優化的 CIL 制成的有機太陽能電池的功率轉換效率 (PCE) 從 18.2% 提高到 19.3%，該效率躋身于目前 OSCs 之列。
研究團隊使用的設備
這項研究使用了光焱科技 (Enlitech) 的以下設備來進行實驗和驗證多酚優化CIL 的效果：
n SS-X AM1.5G 太陽模擬器: 模擬太陽光照射條件，進行光電轉換效率的測量和評估，驗證多酚優化 CIL 后有機太陽能電池的光電轉換性能。
n QE-R 量子效率測試系統: 測量有機太陽能電池的外量子效率（EQE）曲線，分析光電轉換過程中不同波長光子的利用率，進一步了解多酚優化 CIL 后電荷傳輸和復合機制，為提高效率提供理論支持。
【研究結果：重大的科學突破和應用前景】
這項研究成果為提高有機太陽能電池的效率和穩定性提供了一種全新的思路。多酚化合物不僅可以有效地改善陰極界面層與活性層的接觸，還能夠提高界面處的電荷傳輸效率，抑制缺陷，最終提升了有機太陽能電池的性能。 該研究團隊認為，這項研究不僅在有機太陽能電池領域具有重要的科學價值，還將推動有機太陽能電池產業的發展。
未來，該研究團隊將繼續深入研究多酚化合物在有機太陽能電池中的應用，探索更高效的界面鈍化策略，力爭研發出具有更高效率和更長壽命的下一代有機太陽能電池，推動有機光伏技術走向成熟應用。
總結
深圳職業技術大學胡漢林教授團隊利用多酚化合物優化陰極界面層，顯著提高了有機太陽能電池的效率和穩定性。這種新穎的策略，能夠有效地降低陰極界面層的功函數，提升電荷提取效率，終為有機光伏技術的發展帶來全新的方向和突破。
重要技術參數:
有機太陽能電池轉換效率： 19.3%
關鍵材料: 三羥基苯甲酸 (TBA)
關鍵技術: 多酚優化陰極界面層
參考文獻
Optimizing of Cathode Interface Layers in Organic Solar Cells Using Polyphenols: An Effective Approach
Advanced Energy Materials 2024
【本研究參數圖】
Fig S1. (a) J-V 測試中使用的掩膜，面積為 0.0804 平方厘米；(b) EQE 校準硅電池時使用的方孔掩膜，面積為 2.5×2.5 平方毫米；(c) EQE 測試中使用的光斑尺寸，面積為 1×1 平方毫米。
Fig S2. PDINN 和 TBA 分子結構中的偶極方向
Fig S12. (a) 基于含有 PDINN-TBA CIL 的 PM6: BTP-ec9 的 OSC 在不同條件下的 J-V 曲線。(b) 含有 PDINN 和 PDINN-TBA CIL 的基于 PM6: L8-BO: βBTCl 的 OSC 的 J-V 和 (c) EQE 曲線。
Fig S13. 基于 PM6 供體與 PDINN 和 PDINN-TBA CIL 的 OSC 的 J-V 曲線。
- 上述研究數據來自光焱科技 _ SS-X 系列 AM1.5G 太陽能模擬器和 QE-R 光伏/太陽能電池 EQE 完整解決方案 -
推薦設備
1. SS-X AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器
2. QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
文獻參考自 Advanced Energy Materials DIO:10.1002/aenm.202401741
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