阿卜杜拉国王科技大学Thomas团队AM: 17%有机太阳能电池基于液相剥离WS2替代传统的PEDOT:PSS

【前言】

近年来，得益于新型给体受体材料设计以及器件结构优化等诸多手段，有机太阳能电池的能量转换效率得到了飞速提升。然而，有机光伏器件在实际生产和应用中依然需要面临诸多挑战。其中，界面层材料设计是提高有机光伏转换效率和推进产业化的解决方法之一。目前，界面层设计大多集中于电子传输层，诸如ZnO, PFN-Br, 和PDINO等。但对于空穴传输层，目前能选择的依然只有PEDOT:PSS(正置结构)和MoO_X(倒置结构)。其中，PEDOT:PSS是强吸湿性和酸性材料，会对ITO透明电极腐蚀并导致器件性能衰退。

【成果简介】

近日，阿卜杜拉国王科技大学(KAUST) 林源宝(第一作者)和Thomas D. Anthopoulos (通讯作者)在Advanced Materials报道了用液相剥离法制得二维过渡金属硫化物(TMDs)。他们发现经过简单旋涂制备后，WS2薄片能均匀地附着在ITO衬底上，并将其作为空穴传输层应用于有机光伏中。最终，基于WS₂的光伏器件展现出更佳的填充因子，短路电流以及光电转化效率。其中在PBDBT-2F:Y6:PC₇₁BM中光电转换效率达到17%，这一效率是目前已发表的单节有机光伏的最高效率之一。

【图文导读】

图1: 二维TMDs制备示意图及相应表征。

a) 超声波液相剥离法制备MoS₂和WS₂溶液示意图；

b) MoS₂和WS₂溶液的吸收光谱；

c) 利用旋涂法将MoS₂和WS₂沉积在ITO衬底示意图；

d) ITO, ITO/WS₂和ITO/MoS₂ 的SEM-EDX mapping图, 内嵌图为相应的AFM

图2: 基于各种空穴传输层的活性层表征。

a)-d) 各种空穴传输层的AFM图；

e) AFM图对应的表面高度直方图；

f) ITO及各种空穴传输层的功函数；

图3: 各种空穴传输层的光伏性能表征。

a) 器件结构示意图；

b) 给体受体材料的化学结构；

c)-d) 光伏器件的J-V图, 内量子和外量子效率图；

e)-g) Voc, Jsc及Jsc/Jsat的光强依赖曲线；

g) krec和载流子浓度关系图

图4: 其他活性层体系的光伏性能表征。

a) 给体受体材料的化学结构；

b) 光伏器件的J-V图；

c) 已报道的基于二维界面层的光电转化效率对比；

d) PBDB-T-2F:Y6活性层的内量子和外量子效率图；

e) PBDB-T-2F:Y6:PC₇₁BM活性层的内量子和外量子效率图。

【小结】

这个工作证明了用液相法制备的WS₂纳米片溶液可以在有机光伏中作为空穴传输层，获得比传统PEDOT:PSS更高的光电转换效率。EDX mapping结果显示，在ITO衬底上WS₂覆盖效果比MoS₂更佳。最终, 基于WS₂空穴传输层的光伏器件性能优于MoS₂和传统的PEDOT:PSS器件的原因主要是更优的光子结构和更少的双分子复合损失。基于PBDB-T-2F:Y6:PC₇₁BM活性层体系，WS₂光伏器件的光电转换效率达到17%，这一转换效率是目前已发表的有机光伏器件中最高之一。这一工作证明了TMDs作为界面层并获得高效的有机光电器件的的潜力。

文献链接：17% Efficient Organic Solar Cells Based on Liquid Exfoliated WS2 as a Replacement for PEDOT:PSS （Adv. Mater. 2019, 1902965）

本文由阿卜杜拉国王科技大学Thomas团队供稿。

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