國家納米中心在有機太陽能電池界面修飾研究方面取得新進展

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佈調控方面取得新進展。相關研究成果發表於Joule雜誌（Joule, 2021, https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.09.001）。

在溶液法製備的有機太陽能電池中，表面能對體異質結薄膜形貌的形成起到關鍵作用。通過給體與受體的表面能差異可以預測有機本體異質結（BHJ）薄膜中兩相的混溶性，而底部界面層的表面能可以調節體異質結的垂直分佈和分子堆積取向。薄膜的表面能常採用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範圍內的表面能分佈，無法直接解釋體異質結結構中納米級的堆積和相分離變化。

周惠瓊課題組長期致力於溶液法太陽能電池的界面研究，針對界面層表面能的調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，並在有機非富勒烯太陽能電池中實現了80%的填充因子。而後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係，並將此界面修飾策略應用於反型器件電子傳輸層研究之中。此外，該策略也能應用於鈣鈦礦太陽能電池，採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定性。

在前期工作的基礎上，該研究團隊利用基於原子力顯微鏡的峰值力定量納米力學模式（PFQNM）技術，成功表徵了有機太陽能電池空穴傳輸層表面的納米級表面能分佈。研究中發現，摻雜不同橫向尺寸的MoS2納米片，可以有效調控PEDOT:PSS層的表面能微觀分佈，增強表面能分佈的非均一性。這種非均一性的納米級表面能分佈可以進一步調控活性層的分子排列和結晶取向，調控活性層給體和受體間的相分離。由於表面能分佈調控策略對活性層形貌的優化，太陽能電池器件的性能和穩定性均得到提升，並實現了18.27%的光電轉換效率（經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項目等的資助。