Joule：周惠琼团队在太阳能电池界面调控领域取得新进展

物质科学

Physical science

近日，国家纳米科学中心周惠琼研究员与裘晓辉研究员、张勇研究员课题组合作，在有机太阳能电池界面层的纳米级表面能分布调控方面取得重要进展。2021年9月28日，该成果以“Nanoscale Heterogeneous Distribution of Surface Energy at Interlayers in Organic Bulk-Heterojunction Solar Cells”为题，发表在Cell Press细胞出版社期刊Joule上。

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在溶液法制备的有机太阳能电池中，表面能（γ_s）对体异质结薄膜形貌的形成起到关键作用。通过给体与受体的γ_s差异可以预测BHJ薄膜中两相的混溶性，而底部界面层的γ_s可以调节体异质结的垂直分布和分子堆积取向。薄膜的γ_s常采用Owens-Wendt模型通过测量接触角的方法得到，但这种测试方法无法反映纳米尺寸范围内的表面能分布，无法直接解释体异质结结构中纳米级的堆积和相分离变化。

近日，国家纳米科学中心周惠琼研究员与裘晓辉研究员、张勇研究员课题组合作，在有机太阳能电池界面层的纳米级表面能分布调控方面取得重要进展。研究团队采用基于原子力显微镜（AFM）的Peak-force Quantitative Nanomechanical Mappings（PFQNM）技术，表征了有机太阳能电池空穴传输层表面的纳米级表面能分布。如图1所示，研究中掺杂不同横向尺寸的MoS₂纳米片，可以有效调控PEDOT:PSS层的表面能微观分布，增强表面能分布的非均一性。掠入射X射线衍射技术（GIWAXS）、X射线光电子能谱(XPS)和飞行时间-二次离子质谱(TOF-SIMS)分析，证明非均一性表面能分布的产生是由于MoS₂纳米片引起了传输层表面PEDOT和PSS的相分离变化。

图1. 不同薄膜的宏观表面能及PFQNM测得的微观表面能分布。

以常用的PM6:Y6体系作为模型，研究人员研究了界面层的非均一性表面能分布对活性层底部形貌的影响。如图2所示，XPS的结果表明，这种非均一性的纳米级表面能分布可以调节活性层底部的分子排列。而GIWAXS分析的结果说明，非均一性的表面能分布可以调控活性层的π-π堆积，在非均一性最强的MP-2薄膜上制备的活性层薄膜具有最长的π-π堆积距离，这也有利于器件性能的提高。此外，研究人员也采用基于AFM的峰值力-红外技术（PFIR）表征了活性层内给体和受体的相分离情况，该结果说明调控底部界面的微观表面能分布可有效改善活性层内给受体的分离。

图2. 界面层非均一性表面能分布对活性层底部形貌的影响。

研究人员继续采用PM6:Y6活性层为模型，进一步研究了界面层的纳米级表面能分布变化对太阳能电池器件性能的影响。如图3所示，由于表面能分布调控策略对活性层形貌的优化，光伏器件的光电转换效率（PCE）得到提升。在器件物理研究中，使用具有非均一性表面能分布的界面层的太阳能电池器件，展现出更快的电荷提取和减弱的双分子复合。得益于薄膜形貌和器件性能的改善，使用此策略调控的太阳能电池也展现出了更加优异的稳定性。

图3. 界面层非均一性表面能分布对器件性能的影响。

如图4所示，研究人员进一步研究了界面层非均一性表面能分布与给受体间的表面能差异、器件性能之间的联系。研究中，通过选取具有不同表面能的受体材料，调控了给受体间的表面能差异性。研究发现，当给受体之间表面能差异性增大时，采用非均一性的表面能分布策略对器件效率的提升率越高。同时，在以PM6:BTP-ec-9为活性层的器件中，实现了18.27%的PCE（经中国计量科学研究院认证的效率为17.80%），这也是目前报道的二元体系最高效率之一。

图3. 界面层非均一性表面能分布对器件性能的影响。

国家纳米科学中心的博士研究生李彦勋、丁建伟和硕士研究生梁程为该文章的共同第一作者，周惠琼研究员、裘晓辉研究员和张勇研究员为共同通讯作者。

近年来，周惠琼研究员团队在太阳能电池的界面调控领域开展了一系列创新性研究工作。近期成果主要有：Adv. Mater. 2019, 31 1806921；J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 3570–3576; Adv. Mater., 2018, 30, 1801801; Adv. Mater., 2018, 30, 1706924等。

（示意图）

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请周惠琼研究员代表研究团队进行了专访，请她为大家进一步详细解读。

CellPress：

文中，作者通过在有机太阳能电池（OSCs）中整合二维MoS₂纳米片，对本体异质结BHJs层间的组成分布、分子取向和相分离进行调控，抑制电荷复合，增强电荷提取效率，获得了具有增强的能量转换效率（PCE）的稳定光伏器件。请问周老师，团队是如何想到用MoS₂来实现提高器件性能？过程中遇到了哪些困难？又是如何克服的？

周惠琼研究员：

有机太阳能电池活性层的相分离位于纳米尺寸范围内。相关的研究表明调节界面层的表面能可以影响活性层相分离，这在我们前期的工作中也观察到了相似的现象。但由于表征手段的限制，此前从未有人研究过界面层微观表面能与活性层纳米尺寸的相分离之间的联系。在最初设计实验时，我们想利用不同尺寸的纳米材料来设计具有不同微观表面能分布的表面。当我们了解到张勇研究员课题组在不同尺寸MoS₂纳米片制造领域具有非常成熟的技术后，便决定采用不同尺寸的MoS₂纳米片来提高器件性能。在研究中，遇到最大的困难便是微观表面能分布的表征。在与表面物理化学领域的专家裘晓辉研究员讨论后，我们尝试采用真空PFQNM测试的方法来研究微观表面能的分布情况，并成功将此方法用于有机太阳能电池界面层微观表面能分布的研究。

CellPress：

文中作者发现，非均匀性表面能HeD-SE（MP-2）和均匀性表面能HoD-SE（PEDOT:PSS）HTL体系的能量转换效率随着本体异质结的Δγ_s（γ_s表面能）成比例增加。请问周老师，有机太阳能电池中还有哪些主要参数会对器件性能产生直接影响？

周惠琼研究员：

有机太阳能电池的器件性能会受到许多因素的影响。根据光电转换效率的计算公式，PCE= I_sc*V_oc* FF/ Power(solar in)，短路电流、开路电压和填充因子都会直接对器件性能产生影响。近几年的研究也表明，给受体材料的能级和光吸收、活性层的形貌和堆积、载流子迁移率以及介电常数等都会对器件性能产生影响。

CellPress：

有机太阳能电池作为新型太阳能电池器件，具有柔性、价廉、可溶液加工、大面积印刷制备等特点，在太阳能电池领域掀起研究热潮，但是电池效率低会限制其大规模应用。请周老师就OSCs商业化道路所面临的机遇和挑战，分享您的观点。

周惠琼研究员：

经过近年突飞猛进的发展，有机太阳能电池的效率已经突破19%，效率不再是限制其大规模应用的因素，然后稳定性仍然需要进一步的提高。而高效钙钛矿太阳能电池的出现以及硅太阳能电池生产成本的降低，也使有机太阳能电池面临着严峻的外部挑战。

目前，在国家政策的大力支持下，有机太阳能电池的发展迎来了新的机遇。众多高性能活性层给体、受体材料的不断出现，使得科研人员在构建高性能器件时有了更大的选择空间。新应用场景的出现，如室内光伏等，也为有机太阳能电池的商业化应用提供了更多的可能性。

CellPress：

周老师致力于研究光电功能材料和器件，包括有机和钙钛矿电池、光电探测器等；在有机光电材料的合成，无机纳米材料的合成和表征，光电器件的制备和表征等方面有着丰富的经验。请周老师对研究方向是光伏材料相关体系的青年学生，提出您的指导建议。

周惠琼研究员：

首先，我认为从事光伏材料领域的青年学生要学好化学和半导体器件物理的基础知识，为研究工作打下坚实的基础；其次，要广泛阅读相关的文献，了解领域的发展和现状；第三，学生们一定要勤于动手动脑，在实验中发现问题并想办法解决问题；最后，青年学生们也要多参加学术讨论，多与老师和同学交流，很多好点子都是在思维的碰撞中产生的。

作者简介

周惠琼

研究员

周惠琼，博士生导师，研究员。于武汉大学获得学士和硕士学位，国家纳米科学中心获得博士学位。之后加入加州大学圣塔芭芭拉分校Heeger教授课题组（2000年诺贝尔奖获得者）进行博后研究。2015年入选中科院人才项目加入国家纳米科学中心，2019年获得国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”资助。致力于溶液法光伏器件的研究，在有机和钙钛矿太阳能电池方面有着丰富的经验。目前为Solar RRL杂志Editorial Advisory Board成员，《物理化学学报》和Info Mat杂志青年编委。迄今为止发表文章80余篇。

具体可见：https://www.researchgate.net/profile/Huiqiong-Zhou