基于三氟苯甲酸自组装阳极界面层的高性能有机太阳能电池_何韦.pdf

Chem.J.Chinese Universities,2023,44(7),2023016120230161(1/7)CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES高 等 学 校 化 学 学 报研究论文基于三氟苯甲酸自组装阳极界面层的高性能有机太阳能电池何韦1，陈飞2，李鸿祥1，王嘉宇1，秦家强1，崔宁博2，严岑琪1，程沛1（1.四川大学高分子科学与工程学院,高分子材料国家重点实验室,2.水利水电学院,水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,成都 610065）摘要 采用3,4,5-三氟苯甲酸(3FBA)材料构筑了自组装阳极界面层,相比于传统阳极界面层PEDOT PSS和MoO3,3FBA界面层具有更高的透过率及更好的疏水性.基于3FBA阳极界面层的有机太阳能电池实现了优 异的短路电流密度(26.86 mA/cm2)与能量转换效率(18.16%),明显高于基于PEDOT PSS界面层的器件(26.28 mA/cm2,17.62%)和基于MoO3界面层的器件(26.00 mA/cm2,17.15%).关键词 有机太阳能电池；阳极界面层；三氟苯甲酸中图分类号 O62;O63 文献标志码 A doi：10.7503/cjcu20230161High-performance Organic Solar Cells Based on Trifluorobenzoic Acid Self-assembled Anode Interfacial LayersHE Wei1，CHEN Fei2，LI Hongxiang1，WANG Jiayu1，QIN Jiaqiang1，CUI Ningbo2，YAN Cenqi1*，CHENG Pei1*（1.College of Polymer Science and Engineering，State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering，2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，College of Water Resource and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China）Abstract A self-assembled anode interfacial layer was constructed using 3，4，5-trifluorobenzoic acid（3FBA）.Compared with traditional anode interfacial layers including PEDOT PSS and MoO3，the 3FBA interfacial layer has higher transmittance and better hydrophobicity.Organic solar cells based on the 3FBA anode interfacial layers achieved high short-circuit current density of 26.86 mA/cm2 and power conversion efficiency（PCE）of 18.16%，significantly excelling devices based on PEDOT PSS（26.28 mA/cm2，17.62%）and devices based on MoO3（26.00 mA/cm2，17.15%）.This work provides a new idea for the design and construction of the anode interfacial layers of organic solar cells.Keywords Organic solar cell；Anode interfacial layer；3，4，5-Trifluorobenzoic acid近年来，我国能源资源约束趋紧，且随着工业扩量升级的推进，我国能源资源需求还将刚性增长.在传统能源紧缺与环境问题愈发突出的背景下，开发新型能源十分重要.有机太阳能电池作为新一代太阳能电池，具有成本低、重量轻、环境污染小及可制备大面积柔性器件等突出优点，近十年来发收稿日期：2023-04-01.网络首发日期：2023-06-05.联系人简介：严岑琪,女,博士,副研究员,主要从事有机太阳能电池研究.E-mail:程 沛,男,博士,研究员,主要从事有机太阳能电池研究.E-mail:基金项目：高分子材料工程国家重点实验室自主课题(批准号:sklpme2022-3-02)、四川省科技计划项目(批准号:2023YFH0085,2023YFH0086,2023YFH0087)和西藏科技计划项目(批准号:2022wz002)资助.Supported by the State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering,China(No.sklpme2022-3-02),the Sichuan Science and Technology Program,China(Nos.2023YFH0085,2023YFH0086,2023YFH0087)and the Xizang Science and Technology Program,China(No.2022wz002).CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES高 等 学 校 化 学 学 报研究论文Chem.J.Chinese Universities,2023,44(7),2023016120230161(2/7)展迅速112.有机太阳能电池单层器件的能量转换效率（PCE）已经突破19%1316，而叠层器件已实现20%的能量转换效率17.有机太阳能电池的阳极界面层（Anode interfacial layers）是位于阳极和有机半导体之间的薄膜或分子层，通过调控载流子注入/收集和传输，在实现高光电转换效率方面发挥着关键作用10，18.理想的阳极界面层应具有优异的电荷注入/收集能力、高透光率、无腐蚀性和低成本制备.作为阳极界面层的材料比较缺乏，只有聚（3，4-乙烯二氧噻吩）聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT PSS）和三氧化钼（MoO3）被广泛使用1922.然而，PEDOT PSS的强酸性会影响器件的长期运行2124，MoO3则需要通过真空热沉积制备，不适合大面积制备有机太阳能电池.近期，科研工作者使用自组装小分子材料作为阳极界面层19，2528.此类材料一般由锚定基团（通常是羧基、膦酸基及磺酸基等29）、中间基团和功能基团3部分构成.以自组装材料作为有机太阳能电池阳极界面层，具有成膜工艺简单、可调节基底功函、可钝化界面等优点26，30.由于该界面层的高透过率，可减少有机太阳能电池的寄生吸收，增加进入活性层（Active layer）区域的光子数量.但是关于自组装阳极界面层的研究依旧缺乏，目前仅有基于膦酸基锚定基团的2PACz系列小分子自组装材料具有较好的效果28，29.本文以 PEDOT PSS、MoO3及有机小分子材料 3，4，5-三氟苯甲酸（3，4，5-Trifluorobenzoic acid，3FBA）为阳极界面层，以给体PM6和受体BTP-eC9为共混活性层体系31，以PFN-Br为阴极界面层，构筑基于上述不同阳极界面层的有机太阳能电池.3FBA界面层具有原材料结构简单且价格低廉、可溶液加工、透过率高的优点.基于3FBA阳极界面层的有机太阳能电池的短路电流密度和能量转换效率分别高达26.86 mA/cm2和18.16%，明显高于基于PEDOT PSS界面层的器件（26.28 mA/cm2，17.62%）和基于MoO3界面层的器件（26.00 mA/cm2，17.15%）.该自组装材料有望促进有机太阳能电池阳极界面层的设计与发展.1 实验部分1.1试剂与仪器氧化铟锡玻璃（ITO），透过率86%，华南湘城科技有限公司；PM6，BTP-eC9和PFN-Br，朔纶有机光电科技（北京）有限公司；1，8-二碘辛烷（DIO），纯度95%，日本TCI公司；PEDOT PSS（AI4083），德国Heraeus公司；MoO3，纯度99.5%，北京百灵威科技有限公司；3，4，5-三氟苯甲酸，纯度98%，上海泰坦科技股份有限公司；银（Ag），纯度99.99%，中诺新材（北京）科技有限公司.L2002A2型紫外臭氧清洗机（UVO），英国Ossila公司；HP88857198型热台，美国Thermo Fisher公司；SC1型匀胶机，华仪行（北京）科技有限公司；HCCX3000型金属蒸镀机，沈阳奇汇真空技术有限公司；SS-X50型太阳光模拟器和QE-R量子效率系统，中国光焱科技公司；B2900型源表，美国Keysight公司；UV-2600I型紫外-可见分光光度计，岛津仪器（苏州）有限公司；ICON型原子力显微镜（AFM），德国Bruker公司；DSA25型光学接触角测量仪，德国KRUSS公司.1.2实验过程1.2.1有机太阳能电池器件的制备将ITO玻璃用洗涤剂水溶液超声一次（15 min）、去离子水超声两次（15 min）、丙酮超声两次（15 min）和异丙醇超声两次（15 min），然后在恒温烘箱中于100 烘干 5 min.使用紫外臭氧清洗机处理ITO玻璃（20 min）后，分别制备3种不同的阳极界面层：（1）PEDOT PSS组：取40 L PEDOT PSS水溶液，滴在ITO玻璃上，在匀胶机上旋涂成膜，而后将其置于热台退火（150，20 min）；（2）MoO3组：将ITO玻璃置于蒸镀机中，在较高真空度下（约105 Pa）蒸镀MoO3，MoO3厚度约3 nm；（3）3FBA组：用移液枪取40 L 3FBA的甲醇溶液（浓度为0.3 mg/mL），滴在ITO玻璃上，静置2030 s后，在匀胶机上旋涂成膜，而后将其置于热台退火（60，5 min）.将已经制备的 阳极界面层的ITO玻璃片移入手套箱中，进行活性层的旋涂.对于活性层溶液的配制过程是将PM6 BTP-eC9以10 mg/mL 12 mg/mL的比例溶于氯苯中，并添加0.7%体积比的DIO，于80 搅拌1 h.旋涂完毕后，置于热台退火（100，5 min），活性层厚度均为（1005）nm.然后使用0.5 mg/mL PFN-Br的 甲醇溶液旋涂阴极界面层.最后，将上述器件置于蒸镀机中，在较高真空度下（约105 Pa）蒸镀100 nm CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES高 等 学 校 化 学 学 报研究论文Chem.J.Chinese Universities,2023,44(7),2023016120230161(3/7)Ag作为电极，器件面积为0.04 cm2.1.2.2有机太阳能电池的性能测试采用太阳光模拟器提供AM 1.5G光源，并使用源表测试J-V曲线，测试条件为0.51.2 V，步长为0.002 V.暗态J-V曲线测试条件为0.51.2 V，步长为0.002 V.采用量子效率系统测试有机太阳能电池的外量子效率（EQE），测量范围为3001100 nm，步长为 10 nm.1.2.3表征采用紫外-可见分光光度计测量UV-Vis光谱，测量范围3001100 nm，步长为1 nm.样品基底分别为ITO玻璃与石英.PEDOT PSS薄膜、MoO3薄膜、3FBA薄膜与实际器件的阳极界面层制备工艺完全相同.开尔文探针力显微镜（KPFM）采用表面电镜显微镜模式，扫描范围1.5 m1.5 m，测试值为探针与样品的接触电势差.采用原子力显微镜测试AFM，轻敲模式，扫描范围3 m3 m.采用光学