化學(xué)所侯劍輝AM：PCE 20.29%！FF 81.19%！高效穩(wěn)定有機太陽能電池

發(fā)表時間：2025-09-02 11:42

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主要內(nèi)容

在有機太陽能電池（OSCs）領(lǐng)域，重?fù)诫s對于縮小耗盡區(qū)寬度以實現(xiàn)高效電荷傳輸起著關(guān)鍵作用。然而，目前深入闡明其潛在機制的系統(tǒng)性研究仍較為匱乏。為攻克這一難題，福州大學(xué)廖慶教授、林梅金研究員和中國科學(xué)院化學(xué)研究所侯劍輝研究員帶領(lǐng)團隊展開深入研究。他們通過創(chuàng)新的互摻雜途徑，精心設(shè)計了兩種聚多巴胺 - 多金屬氧酸鹽復(fù)合材料，即PDA - PMA和PDA - PMA(N)。

團隊研究發(fā)現(xiàn)，PDA - PMA可借助H?[P(Mo?O??)?]（PMA）引發(fā)多巴胺的氧化聚合反應(yīng)，實現(xiàn)超高摻雜密度（1.17 × 1023 cm?3）。在此過程中，電子轉(zhuǎn)移同步誘導(dǎo)了聚多巴胺（PDA）的p型摻雜和多金屬氧酸鹽（PMA）的n型摻雜。值得注意的是，當(dāng)用氨對PDA - PMA進行中和處理后，會得到PDA - PMA(N)。該材料通過結(jié)構(gòu)重排驅(qū)動的有機摻雜，維持了更高的摻雜密度（3.74 × 1023 cm?3）。

團隊運用X射線光電子能譜（XPS）/電子順磁共振（ESR）技術(shù)開展研究，結(jié)果顯示這兩種材料的摻雜途徑截然不同：PDA - PMA呈現(xiàn)有機/無機雙摻雜模式，而PDA - PMA(N)則以有機摻雜為主導(dǎo)。這種深度摻雜效果顯著，將耗盡區(qū)寬度從未摻雜對照樣品（PDA和PMA的混合物）的44.42 nm大幅壓縮至0.052 nm（PDA - PMA(N)），其性能優(yōu)于聚(3,4 - 乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)（PEDOT:PSS，0.238 nm），成功實現(xiàn)了無勢壘的空穴傳輸。所謂無勢壘空穴傳輸，得益于深度摻雜改變了界面特性，使空穴傳輸更順暢，類似量子隧穿（微觀粒子在能量低于勢壘高度時，仍有一定概率穿越勢壘的現(xiàn)象）輔助下的高效傳輸。

基于上述研究成果，團隊將PDA - PMA和PDA - PMA(N)應(yīng)用于基于PBDB - TF:BTP - eC9的有機太陽能電池作為空穴傳輸層，分別實現(xiàn)了20.02%和20.29%的**光電轉(zhuǎn)換效率。此外，中和后的PDA - PMA(N)通過有效抑制界面腐蝕，展現(xiàn)出更優(yōu)的穩(wěn)定性，在光照1800小時后，光電轉(zhuǎn)換效率保留率仍高達(dá)86.2%。

總體而言，團隊提出了一種結(jié)構(gòu)導(dǎo)向、互摻雜的工程策略，通過在空穴傳輸層（HTLs）中進行重?fù)诫s，顯著縮小耗盡區(qū)寬度，以制造高效有機太陽能電池（OSCs）。具體而言，在多巴胺聚合過程中，創(chuàng)新性地利用多金屬氧酸鹽（PMA）同時作為氧化劑和摻雜劑，電子轉(zhuǎn)移過程同步生成p型摻雜的聚多巴胺（PDA）和n型摻雜的PMA，進而開發(fā)出互摻雜的PDA - PMA復(fù)合材料。尤為關(guān)鍵的是，后續(xù)用氨中和處理得到的PDA - PMA(N)，不僅消除了腐蝕性酸度，還引發(fā)結(jié)構(gòu)重排，使有機摻雜密度提升至前所未有的3.74 × 1023 cm?3，比PEDOT:PSS高兩個數(shù)量級。

**的XPS/ESR分析揭示了不同的摻雜途徑：PDA - PMA呈現(xiàn)有機/無機雙摻雜，而PDA - PMA(N)通過去質(zhì)子化誘導(dǎo)的醌式結(jié)構(gòu)增強，轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂袡C摻雜為主的模式。這種超重?fù)诫s將界面耗盡區(qū)寬度壓縮至0.052 nm（PEDOT:PSS為0.238 nm），實現(xiàn)了量子隧穿輔助的無勢壘空穴傳輸。因此，基于PBDB - TF:BTP - eC9的有機太陽能電池實現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的20.29%的效率（填充因子FF：81.19%），超越了使用PEDOT:PSS的對照電池（19.10%）。中性pH值進一步確保了其**的穩(wěn)定性，在氮氣氛圍下600小時后光電轉(zhuǎn)換效率保留率為90.3%，連續(xù)光照1800小時后保留率為86.2%，從而解決了傳統(tǒng)酸性空穴傳輸層固有的關(guān)鍵降解難題。

本研究闡明了定制摻雜機制如何調(diào)控界面電動力學(xué)特性，為同時優(yōu)化空穴傳輸層的導(dǎo)電性、能級匹配性和環(huán)境耐受性提供了一種通用策略，有力推動了有機太陽能電池的商業(yè)化進程。