侯劍輝&鄭眾Adv. Mater.：ZnO層的新制備方法助力高效穩定有機太陽能電池

01【導讀】

氧化鋅(ZnO)由于其優異的光電性能和簡單的制備方法，在有機太陽能電池（OSCs）中得到了廣泛的應用。盡管過去已經設計了多種多樣的陰極界面材料，但是ZnO由于其優異的綜合性能仍然是不可或缺的。然而，ZnO/本體異質結（BHJ）界面上非富勒烯受體的胺殘基誘導的降解顯著降低了填充因子(FF)和開路電壓(V_oc)。因此，迫切需要開發一種方法來徹底去除ZnO陰極界面層(CIL)中的胺殘留物，而不損壞ZnO本體。

02【成果掠影】

近日，中科院化學所侯劍輝研究員和北京科技大學鄭眾教授等人報道了一種簡單、有效、經濟的方法，用硼酸(BA)去除溶膠-凝膠ZnO CIL中殘留的胺而不損傷ZnO。BA被用作胺清洗劑，因為其具有合適的酸離解常數(pK_a)以避免ZnO分解。X射線光電子能譜(XPS)結果表明，由于BA的沖洗，殘留的胺可以被有效地去除。ZnO的功函數(Φ)可以從3.86 eV改變到3.79 eV，導致基于PBDB-TF:HDO-4Cl:BTP-eC9的OSCs的V_oc增加10 meV。此外，清洗后的ZnO CIL在電子提取能力方面表現出明顯的改善，例如BA處理的ZnO中的電子提取可以在44.29 ns內完成(比原始ZnO快33.64%)。另一方面，ZnO CIL的電荷收集能力增強，ZnO CIL的功函數有利于實現更高的V_oc。ZnO CIL的改進性質將PBDB-TF:HDO-4Cl:BTP-eC9 OSC的FF從75.07%提高到78.13%，并且將PBDB-TF: BTP-eC9 OSC的FF從73.97%提高到77.28%。基于上述結果，優化的單結OSCs的穩定性和功率轉換效率(PCE)同時提高。活性面積為0.04和1.00 cm²的電池分別表現出18.40%和17.42%的PCEs。此外，基于BA處理的ZnO CIL的串聯OSCs表現出19.56%的PCE，證明了所提出方法的有效性。

相關研究文章以“New Method for Preparing ZnO Layer for Efficient and Stable Organic Solar Cells”為題發表在Adv. Mater.上。

03【核心創新點】

本文提供了一種新的ZnO CIL制備方法，有效地去除了胺殘留物而不損傷ZnO本體。

04【數據概覽】

圖一、a)處理前ZnO的FT-IR數據。b)BTP-eC9和BTP-eC9/EA溶液的吸收光譜。c)加工過程的示意圖。d) 處理前ZnO和ZnO/BA的XRD。PDF#36-1451 (Jade)是纖鋅礦ZnO的標準圖譜。e) 處理前ZnO、ZnO/苯酚、ZnO/BA和ZnO/乙酸的吸收光譜。f，g) 處理前ZnO和ZnO/BA的AFM高度圖像。h–k) 處理前ZnO和ZnO/BA的接觸角。? 2022 Wiley

圖二、處理前ZnO和ZnO/BA的XPS光譜。a) C 1s，b) N 1s，c) Zn 2p_1/2，d) Zn 2p_3/2，e) O 1s，和f)B信號的強度。? 2022 Wiley

圖三、a)研究的CILs的UPS數據。b)基于所研究CILs的器件的Mott–Schottky圖。c)在沒有偏置白光的情況下，在488 nm的激發下，具有所研究的CILs的反式OSCs的TPC。d)在具有不同CILs的OSCs上測量的阻抗譜的奈奎斯特圖。數據由Schottky等效電路模型擬合，其中R_s是串聯電阻，C_g是幾何電容，R_t是傳輸電阻，C_n是化學電阻，R_rec是復合電阻。? 2022 Wiley

圖四、a)本工作中使用的給體和受體。b)本工作所涉及材料的能級圖。c)經過各種處理的器件的J-V曲線。活性層為PBDB-TF:HDO-4Cl:BTP-eC9。d)基于具有PBDB-TF:HDO-4Cl:BTP-eC9活性層的CILs的最佳器件的EQE光譜。e)經過各種處理的器件的J-V曲線。活性層分別是A: PBDB-TF:BTP-eC9P3HT，B: PBDB-TF:IT4F，C: PPDT2FBT:PC71BM，D: P3HT:PC71BM。f)空氣穩定性。在AM 1.5G下，標準化PCE作為OSCs在空氣中儲存時間的函數。溫度為65°C，相對濕度為30%。串聯OPV電池的原理圖、J-V曲線和EQE曲線。J)基于1.0 cm² PBDB-TF:HDO-4Cl:BTP-eC9電池的器件的J-V曲線。? 2022 Wiley

05【成果啟示】

本工作將溶膠-凝膠ZnO CIL中殘留的胺通過用BA沖洗有效地去除，留下完整的纖鋅礦ZnO。這種方法對BHJs的突出通用性顯示了在未來的應用中的巨大潛力。

原文詳情：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