陈永胜教授团队：杯芳烃修饰层有效调控反向有机太阳能电池中的有机-无机界面

//背景和意义：

高效的反向的有机太阳能电池（OSC）大多采用ZnO作为电子传输层（ETL）材料。对于基于ZnO的反向OSC，调控有机层（活性层）与无机层（ZnO层）之间的界面表面能提高其匹配度对提升器件的能量转换效率（PCE）和稳定性都至关重要。

近日，南开大学陈永胜教授团队首次报道：杯芳烃可作为一种能有效调控反向OSC中的有机-无机界面的修饰材料。当采用PM6：L8-BO为活性层材料时，修饰了杯芳烃的器件实现了PCE从17.14%至18.25％的大幅提升，且在最大功率点追踪的模式（MPP）下器件的光稳定性获得了翻倍的增长。这得益于在含杯芳烃层的器件中增强了的内建电场、更快的电荷提取过程与被抑制的电荷复合。同时，更匹配的界面能促进了活性层中分子的有序聚集，这也有助于增强器件的光稳定性和热稳定性。以上结果表明，杯芳烃可以作为ZnO的有效修饰材料，以同时提高反向OSC的性能和稳定性。更重要的是，该工作也会激发起科研工作者对杯芳烃及其他大环化合物在其他更多有机电子器件中的广泛研究兴趣，如：有机光电探测器，有机发光二极管等。

//主要内容：

相对于ZnO，ZnO/BuC4A和ZnO/C4A的功函分别降低了0.44和0.63 eV，这在构筑反向器件时有利于获得更大的内建电场，从而可以促进电荷的提取，降低在空间上的积累与复合。测量得到，ZnO/BuC4A和ZnO/C4A薄膜具有较小的表面能，比ZnO薄膜更接近PM6:L8-BO共混薄膜，即在ZnO表面修饰杯芳烃后，有机层（活性层）与无机层（ZnO层）之间的界面表面能更匹配，这有利于减少界面缺陷并抑制电荷复合。

为了研究基于杯芳烃OSC的光伏性能，制备了如图1a所示的反向器件。基于ZnO的器件的PCE是17.14％。而基于ZnO/C4A和ZnO/BuC4A的器件分别实现了18.25％与17.80％的PCE（表1）。这得益于开路电压、短路电流密度、填充因子的协同提升，这表明基于ZnO/BuC4A和ZnO/C4A的器件的整体内部条件更为理想。同时，基于ZnO/C4A和ZnO/BuC4A的器件的外部量子效率（EQE）响应曲线计算出的积分电流密度分别为25.47和25.73 mA cm^-2高于ZnO的25.20mA cm^-2，这表明在ZnO/杯芳烃和活性层的界面上激子分离被促进。

图1. a）此工作中使用的反向器件的结构；C4A和BUC4A的化学结构、最优几何构象、偶极矩方向以及表面静电势（ESP）图。b）ZnO、ZnO/C4A和ZnO/BuC4A薄膜的紫外光电子能谱。c）ZnO、ZnO/C4A和ZnO/BuC4A薄膜上的水和二碘甲烷接触角测试的照片。

基于ZnO、ZnO/BuC4A和ZnO/C4A的器件的光稳定性在LED阵列（100 mW cm^-2）提供的连续的太阳照明测试下，采用最大功率点（MPP）跟踪模式可以清楚地看出，在基于ZnO/杯芳烃的器件中显示了显著增强的光稳定性（图2）。裸ZnO的器件在经历光照160 h已经衰减至其初始PCE的80％。而基于ZnO/C4A和ZnO/BuC4A的器件在分别持续光照480 h和410 h衰减至其初始PCE的80％,相当于基于ZnO/C4A和ZnO/BuC4A的器件的寿命比基于ZnO的寿命分别获得了200％和160％的增长。此外，基于ZnO/Calixarene的器件也在85 °C持续加热下表现出更好的热稳定性。在加热200小时后，基于裸露的ZnO的器件已经衰减到其初始PCE的80％，而基于ZnO/C4A与ZnO/BuC4A的器件的保持其初始PCE的90％。这些稳定性结果表明通过保护活性层免受与催化活性ZnO的直接接触，并调控ETL和活动层之间的表面能差异，可以在基于ZnO/杯芳烃的器件中实现改善的光稳定性和热稳定性。同时，作者研究了杯芳烃对于由不同制备方法得到氧化锌薄膜的普适性，结果是，对于溶胶凝胶法和纳米颗粒沉积法得到的氧化锌薄膜，该杯芳烃策略都普遍使用，能够协同提升器件的PCE和稳定性，展现了其较好的应用性。

图2. （a,b）PM6和L8-BO的化学结构。(c，d）基于ZnO、ZnO/BUC4A和ZnO/C4A的器件的J-V曲线和PCE分布。(e，f）基于ZnO，ZnO/BUC4A和ZnO/C4A的器件的EQE曲线和EQE差值。（g）MPP模式下的光稳定性图。（h）基于ZnO、ZnO/BUC4A和基于ZnO/C4A的器件的85 °C下的热稳定性图。

表1. 以PM6：L8-BO作为活性层，分别采用ZnO、ZnO/BUC4A和ZnO/C4A作为ETL的OSC的光伏参数。

论文第一作者是博士生李师彤，通讯作者为陈永胜教授。

详见：Shitong Li, Zheng Xiao, Juan-Juan Li, Zong-Ying Hu, Yang Yang, Bin Kan, Dong-Sheng Guo, Xiangjian Wan, Zhaoyang Yao, Chenxi Li, Yongsheng Chen*. Calixarenes enabling well-adjusted organic-inorganic interface for inverted organic solar cells with 18.25% efficiency and multifold improved photostability under max power point tracking. SCIENCE CHINA Chemistry, 2022, https://doi.org/10.1007/s11426-022-1390-2.

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