韩国材料科学研究所&蔚山大学CEJ：使用磷钨酸（PTA）添加剂，增强无HTL OSCs的性能和可扩展性

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前言回顾

有机太阳能电池（OSCs）现已取得了显著进展，功率转换效率（PCE）接近20%，接近商业化生产所需的阈值。OSCs具有多种优势，例如成本效益、溶液加工性、可调吸收和可调能级，这使OSCs成为使用卷对卷制造的大规模应用的有力候选者。OSCs的一个关键方面是可以在活性层和电极之间加入夹层。这些夹层，包括电子传输层（ETL）和空穴传输层（HTL），其在提高器件性能和稳定性方面起着至关重要的作用。传统OSCs结构界面工程的主要目标是减少电极和有机活性层之间的能量势垒，从而最大限度地减少电荷提取过程中的能量损失。然而，这给小规模到大面积的OSCs生产带来了一定的挑战。为了应对这一问题，必须探索HTL的可行替代品，这些HTL具有经证实的抗酸诱导降解性，并且可以通过可固溶加工和免退火工艺制造。然而，解决这一挑战的根本方法是消除HTL层。到目前为止，无HTL和掺入添加剂的OSCs的报道还很有限。

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文献简介

基于此，韩国材料科学研究所（KIMS）表面材料处能源与电子材料系的Soyeon Kim和Dong Chan Lim以及蔚山大学半导体物理与能量收获存储研究中心的Shinuk Cho等人探索了磷钨酸（PTA）的潜力，这是一种Keggin多金属氧酸盐，既是一种有前途的 HTL，又可以作为不含 HTL的 OSCs的添加剂，其能提高电池-模块OSCs的性能和可扩展性。值得注意的是，将PTA加入到光敏层（PM6：Y6：PC71BM）后，显著地提高了功率转换效率（PCE），其值分别高达了17.28%和16.33%。结果表明，该课题组成功制造了一个大面积的OSCs模块，其PCE高达15.18%，有效面积为54 cm2，且实现了约85%的小面积OSCs的有效性。该研究证明了PTA在OSCs中广阔的应用前景，为未来合成可以增强器件性能和可扩展性的应用提供了新路径。

图1. (a)材料的分子结构; (b) 在无HTL系统中引入PTA作为HTL和添加剂的器件结构; (c) OSCs器件的能带图; (d-e) PM6的表面电势和形貌图像的比较图；计步器：PSS/PM6；PTA/PM6；通过Kelvin探针力显微镜（KFM）确认的PTA+PM6

图2. (a,b) 用于分析X射线光电子能谱（XPS）深度剖面的器件结构示意图，PTA作为HTL和掺入BHJ中的PTA; (c,d) 元素的定量光谱和（e，f）W4f的光谱，以评估PTA在具有HTL的光活性层和无HTL器件中的分布

图3. (a) 使用PTA作为HTL和添加剂在无HTL体系中优化的三元PM:Y6:PC71BM的电流密度-电压（J-V）曲线（原始ITO和PEDOT:PSS为参考器件）; (b) EQE光谱; (c) 暗电流; (d) VOC和（e）JSC的光强依赖性; (f) 阻抗谱测量; (g) 瞬态光电压; (h) 瞬态光电流; (i) 时间分辨光致发光（TRPL）

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文献总结

总之，该课题组通过合并三元 PM6：Y6：PC71BM光活性层和PTA作为HTL，实现了17.28%的超高PCE，该值超过了PEDOT：PSS HTL（15.88%）。此外，当PTA在无HTL体系中作添加剂时，PCE仍能高达16.33%。作为无HTL体系中的添加剂，PTA有效地钝化了活性层中的陷阱态，减少了复合，从而提高了器件的整体效率。最终，他们制造出了一个有效面积为54 cm2的大面积OSCs，当使用PTA作为HTL材料时，PCE为15.18%，当使用PTA作为添加剂时，PCE为13.90%，相对于小面积OSCs，其有效性约为∼85%。总体而言，该研究结果表明，PTA作为一种用于OSCs的多功能材料具有巨大的潜力，并可能推动未来高效和可扩展的太阳能技术的发展。相关研究成果发表于国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》，题为“Enhancing performance and scalability of HTL-free organic solar cells with keggin polyoxometalates-type additive”。

本文关键词：磷钨酸；无退火；添加剂；三元；大面积OSCs

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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