北師大薄志山small：羥基二膦酸錨定SAM獲得高效無(wú)需退火HTL，助力OSCs

發(fā)表時(shí)間：2025-09-12 10:22

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主要內(nèi)容

北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院薄志山與青島大學(xué)姜煥祥和張安東聯(lián)合團(tuán)隊(duì)于本研究中實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)突破，成功開發(fā)出一種新型的經(jīng)羥基二膦酸基團(tuán)功能化修飾的咔唑衍生物（HDPACz）。該材料憑借與氧化銦錫（ITO）之間穩(wěn)固且強(qiáng)大的雙齒錨定作用，能夠作為高效空穴傳輸層（HTL）應(yīng)用于光伏器件，且在整個(gè)應(yīng)用過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行退火處理。

與傳統(tǒng)單膦酸類似物相比，HDPACz在ITO表面覆蓋度以及界面偶極矩方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。具體而言，它能夠精準(zhǔn)且有效地調(diào)節(jié)ITO的功函數(shù)，為優(yōu)化光伏器件的電學(xué)性能奠定基礎(chǔ)。理論計(jì)算結(jié)果表明，HDPACz的吸附能高達(dá) - 3.95 eV，而2PACz僅為 - 1.87 eV，同時(shí)其界面偶極矩強(qiáng)度也得到大幅提升，這充分體現(xiàn)了HDPACz在分子層面與ITO相互作用的優(yōu)越性。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步深入探索，成功研制出1 - HDPACz和2 - HDPACz這兩種基于自組裝單分子層（Self - Assembled Monolayer，SAM）的空穴傳輸材料。這類材料具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不僅能夠與界面形成極為牢固的結(jié)合，還具備無(wú)需退火處理的便捷工藝特性，大大簡(jiǎn)化了器件制備流程。其中，雙齒膦酸錨定基團(tuán)與ITO之間能夠形成高度穩(wěn)定的強(qiáng)配位作用，其吸附能相較于單膦酸體系（2PACz吸附能為 - 1.87 eV，本研究材料吸附能為 - 3.95 eV）具有明顯優(yōu)勢(shì)。這一特性為在ITO表面實(shí)現(xiàn)均勻、致密且高質(zhì)量的修飾提供了堅(jiān)實(shí)有力的理論支撐和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

通過(guò)全面且深入的界面表征手段以及**的理論計(jì)算分析證實(shí)，HDPACz能夠有效提升ITO的功函數(shù)，優(yōu)化器件內(nèi)部的能級(jí)排列，從而促進(jìn)電荷的有效傳輸和分離。采用1 - HDPACz的有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）展現(xiàn)出了極為**的性能表現(xiàn)，其光電轉(zhuǎn)換效率（Power Conversion Efficiency，PCE）高達(dá)19.38%，填充因子（FF）也達(dá)到了77.22%。尤為值得一提的是，基于1 - HDPACz的器件在整個(gè)制備過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行退火處理，卻依然能夠?qū)崿F(xiàn)如此高的光電轉(zhuǎn)換效率。這一優(yōu)異性能主要?dú)w功于該材料獨(dú)特的界面特性：其表面覆蓋度得到顯著增強(qiáng)，能夠有效提高電荷傳輸?shù)耐ǖ烂芏?；?rùn)濕性得到明顯改善，有利于與相鄰功能層形成良好的接觸；同時(shí)，對(duì)電荷復(fù)合現(xiàn)象起到了有效的抑制作用，減少了電荷在傳輸過(guò)程中的損失。

本研究成功攻克了空穴傳輸層（Hole Transport Layer，HTL）中自組裝單分子層覆蓋不均勻以及依賴退火處理等長(zhǎng)期困擾光伏領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題，為有機(jī)太陽(yáng)能電池（Organic Solar Cells，OSC）的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)提供了一種**擴(kuò)展性和可操作性的制造途徑。此外，本研究成果不僅為當(dāng)前光伏器件的性能優(yōu)化提供了新的思路和方法，也為未來(lái)設(shè)計(jì)高性能、低成本的柔性光電器件提供了重要的理論依據(jù)和寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有重要的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。