【文章导读】
近日，华中科技大学周印华教授团队报道以PBDB-T-2F：IDIC：Y6为光吸收活性层，全溶液处理制备非富勒烯有机太阳能电池。在不使用ITO和真空蒸发的情况下，对包括电极和基板在内采用溶液制备。
在PEDOT：PSS和NF活性层之间引入了经过溶液处理的HXMoO3，以解决电荷提取问题并解决PEDOT：PSS在疏水表面活性层上的润湿问题，处理过的HXMoO3的费米能级（-5.44 eV）更加接近PBDB-T-2F的HOMO（-5.54 eV），并且获得了有效的能级匹配，以有效收集空穴。制备出光电转化效率高达11.9%的全溶液非富勒烯太阳能电池。
该研究成果发表在Adv. Mater，题为FlexibleAll-Solution-Processed Organic Solar Cells with High-Performance NonfullereneActive Layers。
【研究背景】
为了获得高性能的全溶液法制备的有机太阳能电池(OSC)，需要采用高效非富勒烯材料(NF)材料作为吸光的有机活性层。高性能NF受体（例如Y6，IT-4F和IEICO-4F）通常包含末端氢原子的氟（F）取代基。F取代具有更大的分子极性，可以减少的电压损失，增加可见光的吸收系数，和利于电荷的分离和运输。
但是，与其他受体相比，F取代还会导致：（1）较低的表面能；低表面能不利于水性聚（3,4-乙二氧基噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）在其表面分散。在PEDOT：PSS中添加表面活性剂已采用以提高其润湿性。但是，添加表面活性剂会一直空穴的抽取。（2）最高的占据分子轨道（HOMO）。Y6和IT-4F都具有F替代具有-5.62和-5.71 eV的深HOMO。
相应的聚合物供体用于与Y6匹配并且IT-4F也被F替代（PBDB-T-2F）具有−5.54 eV的HOMO。PBDB-T-2F具有深HOMO能级，远低于PEDOT：PSS的费米能级，两者之间接触会导致电荷提取问题，并且开路电压（VOC）下降。聚合物给体材料HOMO和PEDOT：PSS的费米能级之间不匹配，会导致开路电压明显降低。解决可印刷水性电极PEDOT：PSS表面的润湿问题以及能级匹配问题，是实现高效的全溶液制备非富勒烯太阳能电池的关键。
【文章详情】
图1.a）全溶液法制备的有机太阳能电池的器件结构。b）用于制备每一层的材料的溶液。c）全溶液法制备的面积分别为0.04 cm2和1 cm2的有机太阳能电池的图片。d）有机太阳能电池的能级图。e）活性层中使用的PBDB-T-2F，IDIC和Y6的化学结构。
图2. a) 非全溶液法制备的器件的光照和暗态J-V曲线。b)全溶液法制备的器件的光照和暗态J-V曲线。c)全溶液法制备的器件的光照和暗态J-V曲线(器件面积1cm2)。d)总结目前报道全溶液法制备的器件性能对比。
图3.a）通过转移印法制备PEDOT：PSS的示意图。b）在HXMoO3顶部获得的PEDOT：PSS膜照片；c）HXMoO3薄膜被PEDOT：PSS溶解的照片。d）HXMoO3溶液不同溶解时间的吸收光谱。e）HXMoO3溶液不同溶解时间制备的薄膜的功函数（WF）。f）对滴在不同反应时间下HXMoO3溶液制备的薄膜的接触角。
图4.a，b）不同反应时间HXMoO3的Mo 3d和O 1s的XPS光谱。c）HXMoO3的接触角和-OH比与反应时间的关系图。d）这些具有不同反应时间的HXMoO3产物的拉曼光谱。
【全文总结】
在这项工作中，研究者通过全溶液法制备非富勒烯有机太阳能电池，制备出的小面积器件（0.04 cm2），光电转化效率为11.9％，大面积器件（1 cm2）的光电转化效率％。该方法，从底部基板到顶部电极的器件中的所有层都经过溶液来完成制备。这种方法为制备全印刷大面积有机太阳能电池，提供很好的借鉴意义。
【团队介绍】
周印华：教授，博士生导师，第五批“青年千人”，主要从事有机光电子材料与器件方面的研究工作。已在Science、Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials,Advanced Functional Materials，Materials Horizons等杂志上发表多篇学术论文，被引用3000余次。申请中国专利6项，申请美国专利3项。研究方向：有机光电材料与器件，有机太阳能电池及模组，导电聚合物电极，器件界面调控课题组网站：http://www.yhzhougroup.com/
【参考文献】
Lulu Sun, Wenwu Zeng, Cong Xie, Lin Hu,Xinyun Dong, Fei Qin, Wen Wang, Tiefeng Liu, Xueshi Jiang, Youyu Jiang, andYinhua Zhou*. FlexibleAll-Solution-Processed Organic Solar Cells with High-Performance NonfullereneActive Layers. Adv. Mater. 2020, 1907840
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201907840
感谢Material Devices供稿
