广西大学阚志鹏教授Adv. Sci.：氮-溴混合界面层“双偶极”有效增强有机光伏电池的电荷提取和降低漏电流

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前言回顾

阴极界面层在有机太阳能电池中起着至关重要的作用，它可以改变金属Ag电极的功函数，降低电荷提取势垒。如果想进一步提升阴极界面层对有机太阳能电池的帮助，除了新型阴极界面层的材料设计，阴极混合界面工程是提高非富勒烯OSCs性能的有效方法。但是考虑到混合阴极界面层对电极功函数、薄膜质量和电荷复合的影响，如何合理选择阴极界面材料才能得到有效的混合阴极界面层却鲜有报道。

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文献简介

有鉴于此，近日广西大学物理科学与工程技术学院阚志鹏教授研究团队提出了氮-溴诱导“双偶极”的思路来选取混合界面层材料。由于PDI（NDI）系列含氮阴极界面材料可以与金属电极之间形成指向金属电极的偶极；同时该系列含溴阴极界面材料与电极接触时，溴离子键会断裂并与金属电极形成新键，可以吸附额外指向金属电极的偶极，因此，氮-溴界面层混合时，可以形成“双偶极”。该工作中，作者利用基于PDIN:PFN-Br的混合界面层，以PM6:Y6作为光伏活性层，实现了效率为17.8%的二元有机光伏器件。与单一采用PDIN或者PFN-Br作为阴极界面层相比，采用混合阴极界面层调整了能级排列和加快了电荷的运输，使得器件具有更高的开路电压（VOC）、更大的短路电流密度（JSC）和更高的填充因子（FF）。此外，通过PDINN:PFN-Br和PDIN:NDI-NBr混合界面层得到了相同的提升结果，证明了该“双偶极”界面的普适性。这种新的混合阴极界面层组合方法为有机光伏电池效率的提升提供了一个易于实现的新途径。

图1.（a）PDIN和PFN-Br分子结构；（b）电子能级图；（c）器件结构示意图；（d）优化后器件的J-V特性曲线和（e）EQE光谱。

为了探究混合阴极界面层对太阳能电池器件光伏性能的影响，文中制备了ITO/PEDOT:PSS/PM6:Y6/ETL/Ag正置结构的器件，如图1c所示，其中ETL为PDIN: PFN-Br（0.9:0.1，wt.%）的混合阴极界面层，最优器件的VOC、JSC和FF均优于单一使用PDIN或者PFN-Br作为阴极界面层的器件（如图1d所示）。与此同时，如图2所示，通过对器件暗电流表征发现混合阴极界面抑制暗电流泄漏从而加快电荷提取，TPC和TPV分别表征其电荷提取速率和载流子寿命，使用混合阴极界面的器件表现出更快的电荷提取（0.36 μs vs. 0.46 μs）和更长的载流子寿命（4.46 μs vs. 4.03 μs）。

图2.（a）PDIN、PFN-Br和PDIN: PFN-Br器件在黑暗下的J-V特性曲线；（b）PDIN、PFN-Br和PDIN: PFN-Br器件的归一化瞬态光电流；（c）PDIN、PFN-Br和PDIN: PFN-Br器件的归一化瞬态光电压。

为了确定降低功函数的变化和混合阴极界面层中N和Br的结合能变化，文中进行了UPS和XPS测试。UPS测试结果中，与单一PDIN或者PFN-Br阴极界面层相比，混合阴极界面能最有效地将Ag的功函数降低；同时，XPS测试结果中也是使用混合阴极界面的器件Ag表面结合能降低最明显。为了进一步分析PDIN和PFN-Br中的N和Br的结合能变化，使用XPS对三组不同界面进行了表征，最后发现N和Br的结合能均发生减少。

图3.（a）不同阴极界面层覆盖的Ag电极的UPS谱图；（b）Ag 3d在Ag、PFN-Br/Ag、PDIN/Ag和PDIN: PFN-Br/Ag表面的XPS谱图；（c）Br 3d在PFN-Br、PFN-Br/Ag和PDIN: PFN-Br/Ag上的谱图；（d）PDIN、PDIN/Ag和PDIN: PFN-Br/Ag表面的N 1s谱图。

文中也以PDIN:NDI-NBr和PDINN:PFN-Br为阴极界面层制备了有机光伏器件，NDI-NBr和PDINN的化学结构如图4a所示。优化后的混合比例与PDIN：PFN-Br相同，最终在加入10%的Br的作用下，得到了相同趋势的提升结果。混合阴极界面降低Ag表面的功函数，使VOC增大、电荷提取加快，进而增大JSC，最终表现为器件光电转换效率的提高。

图4.（a）阴极界面层材料的化学结构；PDIN、NDI-NBr和PDIN: NDI-NBr优化后器件的（b）J-V特性曲线和（c）EQE光谱；PDINN、PFN-Br和PDINN: PFN-Br优化后器件的（d）J-V特性曲线和（e）EQE光谱。

最后文中给出了PDIN:PFN-Br的混合阴极界面层中电子传输的示意图。更好地调节能级平衡和加快电荷的提取，展现了混合阴极界面层的优势。

图5. 器件的电荷提取图：（a）无阴极界面层；（b）含N阴极界面层；（c）含Br阴极界面层；（d）含N-Br阴极界面层。

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文献总结

总之，本文以PM6:Y6为光活性层，使用一种新的混合阴极界面层来提高有机光伏器件的性能。在PDIN或PDINN阴极界面材料中添加10%的含Br材料组成混合界面，减少了界面陷阱和电荷提取屏障，获得了更高的JSC和FF，最终实现了二元PM6:Y6器件17.8%的光电转换效率。相关研究成果最新发表于国际知名期刊《Advanced Science》上，题为“Double-Dipole Induced by Incorporating Nitrogen-Bromine Hybrid Cathode Interlayers Leads to Suppressed Current Leakage and Enhanced Charge Extraction in Non-Fullerene Organic Solar Cells”。

本文关键词：混合阴极界面层，电荷提取，双偶极子，填充因子。

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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