低温溶液工艺制备的ZnO薄膜表面钝化/缺陷能级调控 及其在有机光伏电池中的应用

aenm201401606-fig-0005低温溶液工艺制备的氧化锌(ZnO)薄膜制备工艺简单、光学及电学性能优异,在光电领域具有诸多潜在应用。在有机光电领域,通过前驱体或者纳米晶溶液低温制备的ZnO薄膜可作为电子传输层用于修饰器件阴极界面。但是低温溶液工艺制备的ZnO薄膜存在着较多的悬挂键以及表面缺陷,引入带隙间能态并形成光生载流子复合中心,进而造成光电流的损失并破坏阴极界面选择性传输特性;同时,表面缺陷有可能作为环境中的水和氧气分子在ZnO表面的吸附和脱附中心,影响薄膜及光电器件的稳定性。

如何简单有效的钝化低温溶液工艺制备的ZnO薄膜表面缺陷态,提升有机光伏器件的性能及稳定性是ZnO电子传输层的重要研究课题之一。

浙江大学博士生白赛在导师金一政副教授的指导下,与苏州大学孙宝全教授课题组合作,首次创新性的引入一种基于小分子乙二硫醇(EDT)的表面钝化方法,有效修饰了ZnO纳米晶薄膜的缺陷态。EDT引入后与锌原子所形成的锌硫化学键钝化表面,显著减少了ZnO薄膜表面的羧基、羟基以及悬挂键等,改善了薄膜对空气中的水、氧的敏感程度。同时EDT表面钝化有效调控了多种表面基团所引入的复杂能带结构,在薄膜内部构建了更为有效的载流子传输通道,显著降低了所制备光电器件的载流子复合几率,提升了阴极界面选择性传输特性。基于该方法钝化后的ZnO界面层所制备的有机太阳能电池器件效率有了20%以上的提升,器件的空气稳定性也得到了明显改善。同时EDT表面钝化也被证明可作为一种普适方法应用于多种溶液工艺制备的ZnO薄膜以及多种有机太阳能电池体系,为ZnO薄膜的表面钝化提供了一种新的研究思路。相关研究成果在线发表于Advanced Energy Materials

相关工作得到了国家自然科学基金、国家科技部863和973项目、浙江省自然科学基金杰出青年项目与浙江省科技厅公益项目的资助,部分器件测试及分析表征工作与瑞典Linköping大学的Dr. Feng Gao和Prof. Fengling Zhang等人合作完成。