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华工於黄忠教授团队 CEJ：纯天然抗氧化剂表面修饰氧化锌制备高效稳定的有机太阳能电池

时间：2022-10-19 来源： 浏览：

华工於黄忠教授团队 CEJ：纯天然抗氧化剂表面修饰氧化锌制备高效稳定的有机太阳能电池

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#有机太阳能电池 16 个
#抗氧化剂 2 个
#表面修饰 4 个
#ZnO 3 个

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近期，华南理工大学於黄忠教授团队通过使用天然抗氧化剂咖啡酸（ CA ），阿魏酸（ FA ）以及 3 ， 4- 甲氧基肉桂酸（ DMCA ）表面修饰 ZnO, 有效地优化了 ZnO 电子传输层以及改善活性层的相分离实现了高性能且稳定的有机太阳能电池（ IOSCs ）。通过使用三种天然抗氧化剂（ NAOs ）表面修饰 ZnO 并且在 ZnO 表面形成界面偶极，有效地降低了 ZnO 的表面功函数（ WF ），与此同时还有效地提升了 ZnO 电子传输层 (ETL) 的电导率以及减少 ZnO 表面的电荷复合中心（ -OH ）。在 ZnO 和活性层中间添加一层 NAOs 小分子，能够有效的改善活性层的垂直相分离程度从而实现更高效的载流子迁移。经过 CA ， FA 和 DMCA 表面修饰 ZnO 后，基于 PBDB-T ： ITIC 的 IOSCs 的光电转换效率（ PCE ）从 10.15% 分别提高到 11.75% 、 11.25% 和 10.90% 。并且基于 ZnO/CA/PM6:L-BO 的 IOSCs 中，实现了 18.22% 的能量转换效率。
这项工作表明天然抗氧化剂（ CA 、 FA 、 DMCA ）能够有效改善 ZnO 电子传输层的性质，探究其作用的物理机理 , 为生物材料运用于光电器件领域提供了支持。 相关成果以标题 “The modification of ZnO surface with natural antioxidants to fabricate highly efficient and stable inverted organic solar cells” 发表在 Chem. Eng. J. 期刊上。 硕士生杨宋为论文为第一作者。
图 1 (a) CA 、 FA 和 DMCA 的分子结构， (b) CA 、 FA 和 DMCA 电子表面静电势 (ESP) 。
图 1(a-b) 展示了三种 NAOs 小分子的分子结构以及采用密度泛函理论 (DFT) 计算的分子静电势并将其可视化。通过 DFT 计算三种 NAOs 的本征偶极矩分别为 2.792(CA), 2.273 (FA) and 1.915 Debye (DMCA) 。
图 2 (a) ZnO, ZnO/CA, ZnO/FA and ZnO/DMCA 的 FT-IR 光谱， (b) Zn2p XPS 光谱， (c) NAOs 与 ZnO 结合示意图。
如图 2 (a), 与原始 ZnO 薄膜相比 , 在经过 CA 、 FA 和 DMCA 表面修饰后 , ZnO 表面的 -OH (3409 cm -1 ) 显著的减少并且出现一个新颖的 C-O-Zn (890 cm -1 ) 特征吸收峰。如图 2(b) 所示，与原始 ZnO 薄膜相比， ZnO/CA 、 ZnO/FA 以及 ZnO/DMCA 薄膜的 Zn 2p XPS 向低结合能的方向分别移动了 0.19 、 0.17 和 0.14 eV ，这表明从 NAOs 到 ZnO 的电荷转移增强了 Zn 2+ 的电子云密度，这将增加 ZnO 薄膜的电荷密度以提高电导率。结合 ESP 图， NAOs 分子中的富电子基团 (AR-OH, AR-OCH 3 ) 可能通过 C-O-Zn 键向 Zn 2+ 转移电子，这也有助于提升 ZnO 的费米能级从而降低 ZnO 的 WF 。
图 3 (a) ZnO, ZnO/CA, ZnO/FA and ZnO/DMCA 的 UPS 谱图 , (b) ZnO 表面偶极的形成机理示意图 , (c) ZnO 表面功函数变化机理示意图。
如图 3(a) 所示， UPS 分析被用于分析 ZnO 薄膜表面的电子态密度。通过 UPS 二次电子截至计算出 ZnO 、 ZnO/CA 、 ZnO/FA 和 ZnO/DMCA 的 WF 分别为 4.43, 4.29, 4.33 和 4.38 eV 。 ZnO 的 WF 取决于 ZnO 的费米能级以及真空能级的差值。费米能级的上移和真空能级的降低都将有助于降低 ZnO 表面 WF 。如图 3(b), 三种 NAOs 的固有偶极矩 (μ 1 ) 和 由电荷转移产生的 Zn 负端指向 AR-OH (AR-OCH 3 ) 正端的诱导偶极矩 (μ 2 ) 共同组成。如图 3(c) 所示，由 ZnO 指向 NAOs 的表面偶极的形成有助于降低 ZnO 表面的真空能级。与此同时， NAOs 向 Zn 转移电子从而提高了 ZnO 的费米能级，进一步地降低了 ZnO 的表面 WF 。
图 4 (a)ZnO, ZnO/CA, ZnO/FA and ZnO/DMCA 的 PL 光谱， (b) O1s XPS 谱图。
如图 4(a) 所示 , 归一化的 PL 光谱展示出经过三种 NAOs 修饰后 , ZnO 表面缺陷所产生的较宽的可见范围发射强度降低 , 这表明 ZnO 表面的缺陷得到减少。结合图 4 (b) O1s XPS 谱图 , ZnO 薄膜中的化学吸附氧缺陷降低 , 并且在 532.08 eV 处形成 C-O-Zn 键 , 进一步地证实了 NAOs 能够与 ZnO 发生相互作用并减少其表面缺陷。
图 5(a) IOSCs 器件结构示意图 , (b) ZnO, ZnO/CA, ZnO/FA 和 ZnO/DMCA 的 WF 以及 PBDB-T 和 ITIC 的 HOMO 和 LUMO 能级图 , 以 ZnO, ZnO/CA, ZnO/FA 和 ZnO/DMCA 为 ETL, PBDB-T:ITIC 基的 IOSCs 的 (c) J-V 曲线和 (d) 暗导曲线 , (e) EQE 光谱。
如图 5(a) 展示了经过表面修饰后的 IOSCs 器件结构。优化后的器件展现出更合理的能级排列结构 , 这将有助于实现更高的 PCE( 图 5(b)) 。 NAOs 分子的修饰不仅有效地改善了 ZnO 表面 WF, 并且可以更有效地向 ZnO 传输电子和阻挡空穴传输。在最佳浓度条件的前提下 , 三种 NAOs 修饰 ZnO 的器件 J-V 曲线如图 5(c) 。 经过 NAOs 表面修饰后的器件 PCE 得到了明显的提高。对于以 ZnO/CA 作为 ETL 的 PBDB-T:ITIC 为活性层的太阳能电池 , 具有 11.75% 的能量转换效率 , 其中 J sc 为 18.24 mA/cm 2 , V oc 为 0.90 V, FF 为 70.8% 。同样的 , 基于 ZnO/FA 和 ZnO/DMCA 的 IOSCs 分别具有 11.25% 和 10.9% 的 PCE 。明显高于基于原始 ZnO 作为 ETL 的器件的效率 10.40%, 同时 J sc 为 16.91mA/cm 2 ,  V oc 为 0.88 V, FF 为 68.2% 。相应的暗导曲线以及 EQE 曲线如图 5(d-e) 所示。
如图 6(a-c) 所示 , 经过 NAOs 表面修饰 ZnO 后的器件具有更高的激子解离效率以及更少的载流子复合。图 6(d) 展示了冠军器件最大功率点的稳态 PCE 和电流密度随时间的变化 , 原始器件在 500 秒后获得 16.82 mA/cm 2 的输出电流密度和 10.08% 的输出 PCE, 而基于 ZnO/CA 的器件在同样时间后显示 18.00 mA/cm 2 的输出电流密度和 11.63% 的输出 PCE 。所有没有封装的 IOSCs 在 1 个不同偏压的太阳光照射下都显示出良好的光稳定性。图 6(e) 展示了没有封装器件暴露在空气中的期间稳定性 , 经过 5 周后基于 ZnO/CA 为 ETL 的器件仍能够保持 75% 以上的效率 , 明显的优于原始 ZnO 的低于 50% 。
图 6 以 ZnO, ZnO/CA, ZnO/FA 和 ZnO/DMCA 为 ETL, 基于 PBDB-T:ITIC 器件的 (a) J ph – V eff 曲线。不同光强下 (b) V oc 和 (c) J sc 的变化。 (d) 冠军器件最大功率点的稳态 PCE 和电流密度随时间的变化。 (e) 空气中无封装 IOSCs 的稳定性。

作者简介

近年来华工於黄忠团队在生物材料运用于太阳电池中做了如下相关工作：
  1.   1.       华南理工大学於黄忠教授团队将生物材料多巴胺 DA 掺入钙钛矿活性层，利用多巴胺与钙钛矿前驱体键合改善钙钛矿薄膜结晶性，提高钙钛矿太阳电池性能及稳定性。研究成果 2021 年发表在 J. Energy Chem. 期刊上。论文链接：
  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095495620303971
  1.   2.       华南理工大学於黄忠教授团队将生物材料蓝铜肽 GHK-Cu 修饰 ZnO 电子传输层，减少 ZnO 表面的氧空位和缺陷，调节了 ZnO 表面的功函数，提高了有机太阳能电池的性能。研究成果 2022 年发表 Chem. Eng. J. 期刊上。论文链接：
  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721029478
  1.   3.       华南理工大学於黄忠教授团队利用生物材料蓝铜肽 GHK-Cu 掺杂有机太阳电池的活性层中，利用 GHK-Cu 与活性层中受体材料 ITIC 的氢健作用，提高了活性层中受体材料的结晶性，提高了有机光伏器件的效率及寿命。研究成果 2021 年发表在 ACS Appl. Mater. Interfaces 期刊上。论文链接：
  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c12326

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722051373

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