Angew. Chem. ：基于新型杂化电子传输层的有机太阳能电池实现了超过18%的光电转换效率与长达5年的稳定性

有机太阳能电池因其成本低、质轻、溶液可加工性、可制备半透明、柔性器件等显著优点，在转化太阳能方面展现了巨大的竞争力，在商业应用方面也具有相当大的潜力。而有机太阳能电池实现大规模商业应用的关键在于兼具较高的光电转换效率、较好的稳定性与较低的成本。目前，二元有机太阳能电池的光电转换效率已经超过19%，稳定性成为了限制其商业应用的瓶颈，进一步提升高效率有机太阳能电池的稳定性的需求十分迫切。

近日，南开大学陈永胜教授、万相见教授团队设计合成了一种新型的氧化锌有机修饰层（NMA）并制备了无机有机杂化的电子传输层ZnO/NMA，与D18:N3活性层材料搭配制备反向器件时，获得了18.2%的光电转换效率，这是目前反向有机太阳能电池的最高值。同时，其外推T₈₀可达7572 h, 首次实现了光电转换效率超过18%的同时T₈₀超过5000 h，等效室外使用寿命长达5年。

图1. (a)反向器件结构、NMA的化学结构、最佳几何构象和偶极矩取向。(b) ITO/ETL/D18:N3/MoOx/Ag(ETL为ZnO或ZnO/NM)器件在LED持续光照下的稳定性，最大功率点追踪模式。(c) ITO/ETL/D18:N3/MoOx/Ag(ETL为ZnO或ZnO/NM) 器件的电流密度-电压曲线。(d) T₈₀寿命超过1000小时的有机太阳能电池的统计数据。(e) 基于ITO/ZnO/NMA/D18:N3/MoOx/Ag的1平方厘米的器件的电流密度-电压曲线。

目前，高效率的有机太阳能电池大多采用正向器件结构，其稳定性表现不甚理想；而相应的反向器件的稳定性更高，但光电转换效率又相对正向结构的稍低。因而，制备高效率、高稳定性的有机太阳能电池的一个策略是采用反向器件结构，并能同时提升效率到与正向器件相当的水平。氧化锌作为反向有机太阳能电池中最常使用的电子传输层获得了广泛的研究。然而，由于氧化锌在吸收紫外光后会产生有催化活性的物种，可导致有机太阳能电池中的活性层材料分解，这是应用氧化锌的最主要的挑战。

在该工作中，NMA除了作为一个空间结构上的保护剂，隔绝氧化锌与活性层的直接接触，也大大降低了氧化锌表面的缺陷态氧的含量，进而协同地抑制了氧化锌对活性层材料的催化分解。此外，NMA修饰后，活性层与电子传输层之间更匹配的表面能也降低了热驱动下二者之间的形貌弛豫，因而器件的热稳定性也大大提升。同时，由于NMA的引入，降低了活性层与电子传输层之间的界面接触势垒，获得了更有利的垂直相分离，使得器件内部的电荷复合降低，保障了更高效的载流子传输与电荷收集过程，因而器件的开路电压，短路电流密度与填充因子获得了协同的提升。

此外，对于其他具有代表性的活性层体系: PM6:Y6:PC₇₁BM、PM6:L8-BO、PM6:F-2Cl、PCE10:PC₇₁BM体系，基于杂化电子传输层ZnO/NMA的器件的稳定性与效率相比于基于裸ZnO的均获得了协同的增益，体现了NMA修饰层较好的普适性。

图2. 基于ZnO/NMA与ZnO不同活性层的器件的电流密度-电压曲线：PM6:Y6:PC₇₁BM (a); PM6:L8-BO (c); PM6:F-2Cl (e); PCE10:PC₇₁BM (g)。基于ZnO/NMA与ZnO不同活性层的器件在在LED持续光照下的稳定性，最大功率点追踪模式：PM6:Y6:PC₇₁BM (b); PM6:L8-BO (d); PM6:F-2Cl (f); PCE10:PC₇₁BM (h)。

论文信息

Achieving over 18 % Efficiency Organic Solar Cell Enabled by a ZnO-Based Hybrid Electron Transport Layer with an Operational Lifetime up to 5 Years

Shitong Li, Qiang Fu, Lingxian Meng, Xiangjian Wan, Liming Ding, Guanyu Lu, Guanghao Lu, Zhaoyang Yao ,Chenxi Li, Yongsheng Chen

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202207397