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的體系分別構建了串聯OPV器件的底部子電池和頂部子電池，實現了高達19.64%的PCE，認證為19.50%。

雖然從最佳串聯電池中獲得了創(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，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】

分子結構和電子束蒸發(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（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. 關鍵材料、電子束蒸發(fā)和沉積物的結構特征

【串聯式器件的設計】

采用玻璃/ITO/PEDOT：PSS/PBDB-TF：GS-ISO/e-TiOx/PEDOT：PSS/PBDB-TF：BTP-eC9/PDINN/銀的器件結構串聯OSCs，可以實現平坦、均勻的ICL。如圖2A所示，通過串聯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OSC的構建。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、結構和形態(tài)

【電荷提取與傳輸的性質】

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結處的e-TiOx側的空間電荷積累區(qū)域的寬度。在作者的串聯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. 串聯式OSCs的性質

總結，作者首次實現了超過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，相應的串聯OSC表現出高達20.27%的PCE。該研究結果標志著有機太陽能電池領域20%時代的到來。