共价修饰降低ITO功函:高效稳定的反向聚合物太阳能电池

聚合物太阳能电池(PSCs)具有材料来源广、容易制备、成本低、可柔性大面积生产等特点,现已成为商业化应用的焦点,并倍受研究者的关注。传统的PSCs器件结构为ITO/PEDOT:PSS/active layer/Ca/Al,ITO作为阳极。其中,作为电子收集层的金属Ca易被氧化,而作为空穴传输层的PEDOT:PSS为酸性,易腐蚀ITO,这两点成为影响器件稳定性的主要因素。反向PSCs以ITO作为阴极,不再使用Ca和PEDOT:PSS作为缓冲层,从而大大提高的器件稳定性。另外,活性层的垂直相分离(给/受体分别趋向于分散在活性层的上/下部),也不再是影响器件效率的不利因素,反而会有利于电荷的有效收集,进一步提高光电转换效率。然而,ITO作为阴极其表面功函较高,不利于电子收集;解决问题的关键是通过界面修饰来降低功函。已报道的聚合物修饰材料主要有聚芴衍生物(PFN)和聚乙烯亚胺类(PEIE和PEI),它们都能有效的降低功函,实现电子传输;但由于其在表面为物理吸附,在进一步旋涂活性层材料时,容易被溶解破坏,影响器件性能。

为解决这一问题,苏州大学材料与化学化工学部宋波教授课题组,采用表面共价接枝的方法,将氮丙啶或/和3-氨丙基三乙氧基硅烷在ITO表面发生原位聚合,制备了共价修饰的电子传输层(ETL)。被修饰后的ITO电极表面功函大大降低,降幅接近1 eV。将修饰后的ITO基底用于反向PSCs的制备,基于结构为ITO/ETL/PBDTTT-C-T:PC70BM/MoO3/Al的器件,其光电转换效率高达8.18%,与相同活性层材料的传统结构器件(最高达7.41%)相比,提高10.4%。更重要的是,含有修饰层的反向器件在空气中无封装状态下,140小时后仍可保持92%的效率;而无修饰层的反向器件只剩60%的效率,传统结构器件则更是在几小时内效率就几乎衰减到零。该研究工作发展了一种共价修饰ITO并降低其功函的方法,为解决器件制备中的溶剂交叉问题提供了可行的思路,有望应用于柔性大面积器件和叠层器件。相关结果发表在Advanced Materials Interfaces杂志上。

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