近日，中國科學院國家納米科學中心研究員周惠瓊課題組與研究員裘曉輝、張勇課題組合作，在有機太陽能電池界面層的納米級表面能分布調(diào)控方面取得新進展。相關(guān)研究成果發(fā)表于Joule雜志。
在溶液法制備的有機太陽能電池中，表面能對體異質(zhì)結(jié)薄膜形貌的形成起到關(guān)鍵作用。通過給體與受體的表面能差異可以預測有機本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)薄膜中兩相的混溶性，而底部界面層的表面能可以調(diào)節(jié)體異質(zhì)結(jié)的垂直分布和分子堆積取向。薄膜的表面能常采用Owens-Wendt模型通過測量接觸角的方法得到，但這種測試方法無法反映納米尺寸范圍內(nèi)的表面能分布，無法直接解釋體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中納米級的堆積和相分離變化。
周惠瓊課題組長期致力于溶液法太陽能電池的界面研究，針對界面層表面能的調(diào)控開展了一系列的研究。通過引入氧化鎢(WOx)納米顆粒提高了聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)空穴傳輸層的表面能，并在有機非富勒烯太陽能電池中實現(xiàn)了80%的填充因子。而后進一步深入探究了活性層堆積取向、界面層表面能與器件性能之間的關(guān)系，并將此界面修飾策略應用于反型器件電子傳輸層研究之中。此外，該策略也能應用于鈣鈦礦太陽能電池，采用生物聚合物肝素鈉改善了電子傳輸層的表面能，鈍化了界面缺陷，同時提高器件的效率和穩(wěn)定性。
在前期工作的基礎(chǔ)上，該研究團隊利用基于原子力顯微鏡的峰值力定量納米力學模式(PFQNM)技術(shù)，成功表征了有機太陽能電池空穴傳輸層表面的納米級表面能分布。研究中發(fā)現(xiàn)，摻雜不同橫向尺寸的MoS2納米片，可以有效調(diào)控PEDOT:PSS層的表面能微觀分布，增強表面能分布的非均一性。這種非均一性的納米級表面能分布可以進一步調(diào)控活性層的分子排列和結(jié)晶取向，調(diào)控活性層給體和受體間的相分離。由于表面能分布調(diào)控策略對活性層形貌的優(yōu)化，太陽能電池器件的性能和穩(wěn)定性均得到提升，并實現(xiàn)了18.27%的光電轉(zhuǎn)換效率(經(jīng)中國計量科學研究院認證的效率為17.80%)。當給受體之間表面能之差越大，該策略對其器件效率的提升率越高。
上述研究工作得到了其他合作者的支持，以及科技部、國家自然科學基金委和中科院相關(guān)項目等的資助。
關(guān)鍵詞： 國家納米中心 有機太陽能電池界面修飾研究 納米級
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