香港城市大学任广禹教授《Acc. Mater. Res.》：溶液加工薄膜太阳能电池的界面工程

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在溶液法加工制备的薄膜太阳能电池中，活性层通过吸收太阳光能量而产生光生激子，然后分解成载流子在层间传播，被器件的两端电极收集。除了对活性层材料和电荷传输材料的广泛探索外，需要仔细处理在溶液加工过程中引起的不同功能层之间的界面，以确保有效的电荷传输并防止老化。利用适当的界面材料来改变界面处的化学和电学性质已成为提高光伏性能的有效策略。因此，全面了解界面性质与电荷载流子动力学之间的相关性，并建立起界面材料的分子设计原则，对实现新兴光伏的商业化非常重要。

本篇Accounts首先概述界面在太阳能电池器件中的基本功能，包括对薄膜形貌、及电荷传输和复合的调节。然后，重点介绍对具有不同功能的界面材料的研究，包括自组装单层膜、掺杂剂、用于后处理的功能分子和复合材料。结合界面材料的基本机制和设计标准，新材料和界面工程策略可以集成到其他光伏系统中，以实现高效和稳定的太阳能电池器件。
随着人类社会近百年来的快速工业化，无休止的能源消耗和环境破坏迫使我们必须不断寻求清洁和可再生能源。近年来，太阳能电池在清洁能源的发展上显示出巨大潜力，可以直接收集太阳光并将其转化为电能。特别是对于溶液处理的薄膜太阳能电池，相比于传统的硅太阳能电池，它们原料成本低、制备简便，还可以兼容不同基底进行大规模制备。其中，有机太阳能电池(OSC)和有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PVSC)近年来发展迅猛，引起了广泛的研究兴趣。可溶液加工的薄膜太阳能电池是通过逐层溶液沉积法制造的，不同层间的界面在电荷传输，薄膜形貌和功能修饰等方面起着重要的作用。在本篇Accounts中，首先介绍了界面在这些光伏设备中独特而复杂的功能。然后，对各种界面材料，包括自组装对单分子层、导电掺杂剂、用于后处理的功能分子和复合材料进行了总结和回顾。还解释了界面和表面科学的基本分析，以更好地理解材料的设计准则。最后，从界面材料的角度，分析溶液加工薄膜太阳能电池商业化道路的挑战和前景。 
图 1. (a) 薄膜太阳能电池的器件架构（CTL:电荷传输层；TCO: 透明导电氧化物玻璃）。右侧分别是 OSC（上）和 PVSC（下）有源层中电荷载流子行为的示意图。 (b) 激子通过 OSC 中的电荷转移状态分解成电荷载流子的能级图。 (c) PVSC 中的电荷转移和复合过程： (a) 钙钛矿光激发以产生载流子（空穴和电子）； (b) 电荷载流子扩散； (c) 将光生电子注入 ETL，将空穴注入 HTL； (d) 辐射衰变导致界面处的光致发光（φ_m：发射的量子产率）； (e) 螺旋重组； (f) 双分子重组； (g) 缺陷辅助非辐射单分子重组（由于钙钛矿中的固有缺陷和杂质）； (h) CTL/钙钛矿界面处的反向电荷转移； (i) ETL 和 HTL 界面直接接触处的非辐射电荷复合； (j) 由界面和晶界处的陷阱态引起的表面复合。经参考文献 (8) 许可转载。版权所有 2018 Wiley。 (d，e) 界面诱导复合损失的起源，源于（d）有源层内的深层缺陷（左）和 CTL 中的缺陷（右），(e)界面处不利的带对准和缺陷有源层，和（f）反向转移诱导的复合。红色箭头代表重组过程，灰色箭头代表反向转移过程。经参考文献 (10) 许可改编。版权所有 2020 Nature Publishing Group.。
 
图 2. (a) 具有三个功能部分的 SAM 示意图。 (b) 载流子迁移率（蓝线）和厚度（红线）与烷基链长度的关系。经参考文献 (17) 许可转载。版权所有 2010 American Chemical Society。 (c) ZnO/SAM/金属结之间形成的净界面偶极子示意图。经参考文献 (18) 许可改编。版权所有 2008 Wiley。 (d) 具有 (i) ZnO/金属阴极，(ii) 具有指向金属表面的界面偶极子的 ZnO/SAM/金属阴极，和 (iii) ZnO/SAM/金属阴极的器件的能级示意图界面偶极子远离金属表面。经参考文献 (19) 许可改编。版权所有 2008 American Institute of Physics。 (e) 具有用于修饰 ZnO（上）和 TiO₂（下）表面的不同自组装分子的聚合物太阳能电池的器件结构。经参考文献 (17) 许可改编。版权所有 2010 Wiley。经参考文献 (20) 许可改编。版权所有 2008 The Royal Society of Chemistry。
 
图 3. (a) 在厚的介孔二氧化钛层上具有 C₆₀-SAM 功能化的器件结构示意图。经参考文献 (21) 许可转载。版权所有 2013 American Chemical Society。 (b) 黑暗中短路条件下的 TiO₂/钙钛矿界面示意图，代表界面陷阱状态导致耗尽区、费米能级以及能带弯曲的形成。经参考文献 (22) 许可转载。版权所有 2014 American Chemical Society。 (c) 5,6-开放富勒烯和6-封闭富勒烯的不同化学结构（上）以及从富勒烯界面改性剂到ZnO的电子传输示意图（下）。经参考文献 (23) 许可改编。版权所有 2016 Wiley。 (d) 在 TiO₂ 层上形成 ATPA 的示意图和 (e) 基于原始 TiO₂ 和 ATPA 改性的 TiO₂ ETL 的器件的 J-V 特性。经参考文献 (24) 许可转载。版权所有 2020 Wiley。
 
图 4. (a) 对于 n 型和 p 型掺杂，费米能级 (E_F) 分别向导带最小值 (E_C) 和价带最大值 (E_V) 移动。 (b) 氧化石墨烯 (GO) 的分子结构。 (c) 具有 GO 界面层 (≈3 nm) 和不同金属电极的倒置聚合物太阳能电池的 J-V 特性。经参考文献 (27) 许可转载。版权所有 2011 Wiley。 (d) 可溶液加工且稳定的 n 型掺杂剂和相应的 AIET 工艺来制备 n 型掺杂的 n 型半导体。 n 型半导体的化学结构：四丁基铵盐 (TBAX)、FPI、bis-FPI 和 bis-OMeFPI。经参考（28）许可改编。版权所有 2013 Wiley。 (e) 裸玻璃、FPI-PEIE 和 FPI-PEIE/PC₆₁BM钙钛矿薄膜的光致发光光谱，以及 (f) 基于 FPI-PEIE/PC₆₁BM 和 FPI-PEIE 的 CH₃NH₃PbI₃ 太阳能电池的 J-V 特性。经参考文献 (32) 许可转载。版权所有 2015 The Royal Society of Chemistry。 (g) 通过 c-AFM 测量的原始 NiO_x 和 Cu:NiO_x 的 I-V 曲线。经参考文献 (33) 许可转载。版权所有 2015 Wiley。
  
图 5. (a) 金属卤化物钙钛矿中的点缺陷。例如，V_A 表示 A 空位，A_i 表示间隙 A 位，A_X 表示被 A 取代的 X 位，其中 A（绿球）表示阳离子，Pb（灰球）是铅阳离子，X (橙色球）是卤化物阴离子。 (b) 通过后处理引入碘化二铵后，顶部有 PCBM 作为电子传输层的 MAPbI₃ 薄膜中可能存在的缺陷和 (c) NH₃I(CH₂)₈NH₃I (C8) 仅停留在表面或晶界的示意图影响散装特性。经参考文献 (36) 许可转载。版权所有 2016 American Chemical Society。(d) 基于控制和目标膜的冠军器件在 1 次阳光照射和 (e) 在 1000 lx 强度的 LED 灯（3000 K）下的 J-V 曲线。经参考文献 (38) 许可转载。版权所有 2020 Elsevier。 (f) 在 N₂ 手套箱中连续照明下未封装器件的光稳定性。经参考文献 (39) 许可转载。版权所有 2021 Wiley。 (g) (PI)₂PbI₂·2DMSO 的晶体结构显示分子中的 Pb-N 键和 (h) 相应器件的 V_OC 损失分析。经参考（40）许可转载。版权所有 2020 American Chemical Society。  
图 6. (a) 碳基界面材料的化学结构，包括 IC₆₀BA、F-C₆₀ 和 bis-C₆₀。 (b) 在充满 N₂ 的手套箱中使用白色 LED 灯 (100 mW cm^-2) 连续照射下，封装的 PVSC 在 85 °C MPP 跟踪下下的长期运行稳定性，以及 (c) 通过 ICP-OES 测量准确检测到的水中铅浓度。经参考文献 (48) 许可转载。版权所有 2020 Nature Publishing Group。 (d) 使用 Spiro-OMeTAD 作为HTL 以及 OPV-PVSC hybrid阳能电池的EQE。经参考文献 (49) 许可转载。版权所有 2017 Wiley。 (e) 双等离子体器件中光学增强机制的示意图和 (f) 将 TNP-450 纳米棱镜结合到 C₆₀-bis 层, 将 PNP-535 纳米棱镜结合到 PEDOT:PSS 中的双界面层策略和设备配置的可视化方案。插图显示了 TNP-450 和 PNP-535 的高分辨率 TEM (HR-TEM) 图像。经参考文献 (51) 许可转载。版权所有 2014 Wiley。
《Accounts of Materials Research》简介 
《Accounts of Materials Research》（《材料研究述评（英文）》）由上海科技大学主办、上海科技大学与美国化学会ACS共同出版，2020年10月创刊（月刊）。2020年获“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目”支持，2021年5月被ESCI收录，2022年被Scopus收录。AMR发表简明扼要的评论性综述文章——聚焦于作者自己的研究，旨在向读者介绍系统的研究工作以及前瞻性观点，和美国化学会综述期刊Accounts of Chemical Research和Chemical Reviews一起组成新的高影响力综述期刊平台。创刊主编为原美国西北大学、现西湖大学黄嘉兴教授；英国牛津大学陈宇林教授担任Senior Editor；清华大学张莹莹教授、瑞典斯德哥尔摩大学袁家寅教授、美国普林斯顿大学Kelsey B. Hatzell教授、美国宾夕法尼亚州立大学Lauren Zarzar教授担任Topic Editors。来自全球15个国家的39名杰出科学家组成编委会（其中国际编委超过80%，女性编委超过三分之一）。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.1c00169

作者简介

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任广禹教授(Alex K.-Y. Jen)现为香港城市大学李兆基讲座教授（材料科学）,香港清洁能源研究院(HKICE)院长，欧洲科学院外籍院士和华盛顿州立科学院院士, 以及香港城市大学化学系与材料科学系的讲座教授。任教授团队专注于跨学科研究，范畴涵盖应用于光子学、能源、感应器及纳米医学等领域的功能材料和器件。任教授学术领域有突出的成就和极高的引用率，与其他学者合著了超过1000份出版物，並曾获邀600多次演讲，著作获引用超过75000次，其H指数达142，并且是六十余项专利及发明的共同发明人。任教授在2014-2021年期间均被湯姆森-路透评为「高被引用研究者」，亦于2015及2016年获评为「全球最具影响力的科学头脑」。同时，任教授还是AAAS, MRS, ACS, PMSE, OSA, SPIE等多个专业科学学会院士。
任教授课题组现广纳贤才，招收博士后、博士学生和研究助理，欢迎有志于光伏器件的开发，大面积器件加工和功能材料合成研究的青年才俊加入。

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