有机太阳能电池（BHJ-OSCs）的光活性层由聚合物给体和非富勒烯受体（NFAs）混合组成，它们之间可以进行有效的电荷转移，从而提高光电转换效率（PCE）。NFAs促使单结BHJ-OSCs的PCE突破了19%。BHJ-OSCs光活性层中过多的给受体界面可以通过提高激子分离效率改善光电转换效率，然而BHJ结构仍存在着一些不足之处。首先，过多的给受体界面增加了双分子复合与能级紊乱，不利于光电转换；其次，制备高效的BHJ-OSCs需要调节给/受体的质量比、选择合适的溶剂、通过溶剂退火或后退火调节光活性层形貌，在实验室中可以容易实现，但却为OSCs将来的大面积商业化应用增加了困难。

图1. 通过平面异质结有机光伏电池实现了18.1%的效率。

广西大学物理科学与工程技术学院阚志鹏团队结合组内先前的工作，以聚合物给体PM6和非富勒烯受体N3作为光活性层材料，制备了平面异质结有机太阳能电池（PHJ-OSCs），实现了18.1%高效率且稳定的二元PHJ-OSCs，高于BHJ-OSCs的17.2%效率，为目前已知报道的PHJ-OSCs的最高光电转换效率。

利用PM6在二氯甲烷（DCM）溶剂中不溶的特点，制备了PHJ-OSCs。其中，PM6作为给体被溶解在氯仿（CF）溶剂中，旋涂在衬底上；非富勒烯受体N3被溶解在DCM中，旋涂于PM6给体层上。进一步，采用溶剂浸泡法来验证上述PHJ-OSCs制备方法的可行性。给体PM6薄膜被浸泡在DCM中，2 min后测试其吸收光谱，结果与对照组的吸收光谱完全重合，证实了DCM不会洗掉PM6给体薄膜，为PHJ-OSCs的形成提供了依据（如图2d所示）。在进行光电测试前，利用BHJ、PHJ的光谱性质对二者的光电转换性能进行了数据模拟，电流的膜厚依赖数据为器件光活性层厚度的选择提供了依据（如图2f）。如图2（g, h）所示，不同的光场分布也是由不同的光活性层结构所导致的。

图2. （a）聚合物给体PM6和（b）非富勒烯受体N3的化学结构式；

（c）PM6、N3的归一化吸收光谱；

（d）在DCM中浸泡2 min前后PM6的吸收光谱；

（e）平面异质结（PHJ）薄膜的制备过程；

（f）计算得到的电流随光伏活性层薄膜厚度的膜厚依赖；

（g）BHJ和（h）PHJ模拟得到的光场分布。

PHJ和BHJ为光活性层的器件光电转换性能的差异，通过正置器件结构ITO/PEDOT:PSS/Active Layer/PDIN/Ag来探测，如图3a所示，两种器件的电流密度基本一致（二者相似的EQE光谱也能证实，如图3b所示）。因此，填充因子（FF）是两种器件产生不同效率的主要原因。相比于BHJ-OSCs，更大的填充因子使得PHJ-OSCs的效率更高。进一步，ITO/ZnO/Active Layer/MoO₃/Ag的倒置器件被制备，再次验证了PHJ结构的形成（如图3c所示），由于PHJ的PM6与Y6分别与电子传输层、空穴传输层相接触，电荷提取效率变低，进而光电转换效率降低。此外，更低的暗电流密度、更大的载流子迁移率、更高的提取效率和更大的载流子寿命也在PHJ-OSCs中被发现，这也是其更高填充因子的原因（如图3d-i）。

图3. 基于PHJ、BHJ正置器件的（a）J-V曲线和（b）EQE曲线；基于PHJ、BHJ倒置器件的（c）J-V曲线；基于PHJ、BHJ正置器件的（d）暗电流、（e）photo-CELIV、（f）电流密度的时间依赖、（g）TPC、（h）电荷提取时间的温度依赖和（i）TPV曲线。

PHJ光活性层结构由纯给体层与纯受体层组成，更低的缺陷态密度、更小的能级紊乱度与更少的双分子复合损失是可预见的，DLTS、DoS分布被用来探测两种器件的缺陷态密度（如图4a-b），载流子迁移率、最大功率、双分子复合系数和α因子的变温测试被用来计算两种器件中能级紊乱度的差值。如图4c-f所示，在每一种变温模型下得到的PHJ-OSCs的能级紊乱值都比其BHJ-OSCs的小3-5 meV。

图4. 基于PHJ、BHJ有机光伏电池的（a）DLTS变温测试、（b）DoS分布、（c）载流子迁移率温度依赖、（d）最大功率的温度依赖、（e）双分子复合系数温度依赖和（f）α因子的温度依赖曲线。

为了探究基于PHJ、BHJ薄膜形貌的区别，GIWAXS被用来分析两种薄膜的结晶性。基于PHJ与BHJ薄膜的GIWAXS测试数据（如图5所示），PHJ表现出了更有序的薄膜结构，BHJ薄膜的结晶性由给体PM6所控制，但在PHJ薄膜中，PM6和N3对薄膜的结晶性起着同等重要的作用。

图5. 基于（a）PHJ、（b）BHJ有机太阳能电池的2D-GIWAXS图形；基于PHJ、PHJ的（c）In-plane、（d）Out-plane曲线。

图6. 基于PHJ、BHJ有机太阳能电池的（a）电压、（b）电流、（c）填充因子和（d）效率的稳定性测试。

图6是基于PHJ-OSCs与BHJ-OSCs的稳定性测试，两种OSCs的J_SC、V_OC都显示出了优异的稳定性，而PHJ-OSCs的FF稳定性明显更好，从而导致PHJ-OSCs具有更好的PCE稳定性。

本文系统地研究了由宽带隙给体和窄带隙受体组成的PHJ和BHJ器件中的电荷动力学。由PM6/N3组成的PHJ器件表现出18.1%的PCE，优于BHJ-OSCs 17.2%的PCE。器件填充因子是影响效率的主要因素。我们在PHJ-OSC中发现了更快的电荷提取、更慢的双分子电荷复合和更少的能级紊乱，从而改善了FF。PHJ-OSCs由于是纯的给体层与受体层所组成，显示出比BHJ-OSCs更好的稳定性。我们的结果表明，PHJ光活性层可以减少双分子电荷复合和能量紊乱，实现更高性能的OSCs。相关文章发表在ACS Materials Letters上，广西大学物理科学与工程技术学院博士研究生赵振民为文章的第一作者，广西大学物理科学与工程技术学院阚志鹏教授为通讯作者。

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ACS Materials Lett. 2023, 5, XXX, 1718–1726

Publication Date:May 17, 2023

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00236 

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