基于金属氧化物/极性共轭聚合物/金属氧化物的有机叠层太阳能电池中间界面层

23有机叠层太阳能器件是有机太阳能电池进一步有效利用太阳光谱的可靠手段。一直以来,有机叠层合格的中间界面层必须要同时满足以下三个条件:1) 光学上,中间界面层必须有高透光率来减少对光子的吸收;2) 电学上,中间界面层必须形成准欧姆接触来消除反向二极管带来的电学影响;3) 工艺上,中间界面层必须能保护底层器件不被上层器件溶解。在这三个要求中,第二点——形成准欧姆接触——成为中间界面层最难克服的难点。在已有的技术中,由于第二点的局限,形成合格的中间界面层仅有两种方法。第一种是利用重掺杂的空穴传输层和电子传输层形成隧穿结来提高中间界面层电子和空穴的有效复合率,例如利用PEDO:PSS(重掺杂的空穴传输层)和 TiO2 或 ZnO (重掺杂的电子传输层当被紫外光激发后)。第二种是在空穴传输层和电子传输层之间热蒸发一层金属纳米层(Ag,Au或Al)。这层金属纳米层可以作为电子空穴复合的中心来平衡空穴传输层和电子传输层的准费米能级差,从而降低叠层器件开路电压的损失。

     然而这两种方法各有局限。第一种方法要求空穴传输层和电子传输层必须重掺杂。第二种方法涉及非溶液的高真空的热蒸发使得大面积工业生产成本太高。在已有的单层有机太阳能器件中,有效的溶液处理的空穴传输层和电子传输层分别包括V2O5, MoOx, NiOx,PEDOT:PSS 和 TiO2, ZnO, PFN, PEIE等。如何能自由结合以上空穴传输层和电子传输层成为有效的中间界面层是叠层有机太阳能电池的一个最基本的问题。香港大学蔡植豪教授领导的团队发明了一种三层结构来设计合格的中间界面层,为选择不同空穴传输层和电子传输层作为中间界面层提供了新思路。他们采用溶液法MoOx和溶液法TiO2分别作为单层器件的空穴传输层和电子传输层。在叠层器件中,他们在MoOx和TiO2中间加入了由华南理工大学黄飞教授领导的团队开发的一种极性共轭聚合物(PF6N25Py)。PF6N25Py 能够把MoOx 的功函数从5.4eV 降低到4.2eV 和TiO2的功函数匹配,从而消除了原本MoOx 与TiO2 直接接触所形成的反向结。实验结果证明基于这种MoOx/PF6N25Py/TiO2中间界面层的叠层器件可以有效地把开路电压损失降低到可以忽略并同时有60%以上的填充因子,从而证明了此结构可以成为合格的中间界面层。该方法为选择不同空穴传输层和电子传输层作为合格的中间界面层减少了耦合度,从而拓宽了界面层的选择范围。相关论文在线发表在Adv. Energy Mater.。(DOI: 10.1002/aenm.201500631)