CJC | Concise Report-中科院化学所侯剑辉团队：基于有机膦掺杂阴极界面层研究反向有机太阳能电池的电子抽取过程

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有机太阳能电池的能量转换效率已突破19%，显示出良好的实际应用前景。目前，活性层材料发展十分迅速，相关的光电转换机制也得到深入研究。相比之下，界面层的发展却相对落后。由于缺少对界面层修饰机理的认识和理解，因此高性能界面修饰层的开发存在很大挑战。深入研究界面层的工作机理，对于发展新的材料设计方法和提高有机太阳能电池的光伏性能具有重要意义。

从器件物理的角度来看，界面层/电极界面处的肖特基势垒和界面材料的体相电阻都可能引起载流子抽取过程的电压损失。不断有研究结果表明，更窄的耗尽区宽度有利于促进界面处的隧穿效应，从而减少界面处电荷复合，并降低电荷收集过程的能量损失。（Adv. Mater. 2020, 32, e1906199; Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 2197‒2204; J. Phys. Chem. C 2019, 123, 1922‒1930）

最近，中科院化学所侯剑辉团队通过采用不同的有机膦作为掺杂剂，研究了一系列n掺杂交联阴极界面层（c-NDI:P0、c-NDI:P1、c-NDI:P2、c-NDI:P3）的电子收集能力。通过分析势垒高度、掺杂密度和介电常数，可以精确计算异质结界面的耗尽区宽度。证明了阴极界面层的最佳厚度应与耗尽区宽度一致，以实现最小的能量损耗。因此，减小电极/阴极界面层的耗尽区宽度对提高有机太阳能电池的电子抽取能力至关重要。得益于高掺杂密度和高介电常数，ITO/c-NDI:P0界面的耗尽区宽度从13 nm减小到0.8 nm，从而大幅提高了载流子收集效率，在反向器件中实现了17.7%的效率。该工作阐明了电极/界面层/活性层界面的能级结构，研究了阴极界面层的电子收集机制，为开发高效的阴极界面层提供了有效指导。

图1  有机膦掺杂的交联阴极界面层能级结构示意图。

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