中国科学院苏州纳米所印刷薄膜光伏实验室Nature Photonics： 原位转化SiOxNy钝化层实现倒置有机太阳能电池效率突破18%
随着有机半导体材料的不断发展，有机薄膜太阳能电池的光电转化效率已超过20%。然而，目前高效率的有机太阳能电池均采用正置器件结构，即光活性层处于透明电极/空穴传输层（HTL）以及电子传输层（ETL）/金属电极之间。与正置结构相对的倒置结构电池可使用高功函顶电极，因而与印刷工艺更兼容。此外，倒置结构电池避免使用吸湿性PEDOT:PSS，具有潜在的长期稳定性。尽管有上述这些优势，倒置有机太阳能电池的光电转化效率仍然落后于正置电池，因而提升倒置电池的光电转化效率将对于有机太阳能电池的商业化应用至关重要。
在倒置有机太阳能电池中常用的电子传输层材料主要包括金属氧化物，如ZnO、SnO2。然而，这些材料容易产生表面缺陷，导致界面电荷复合，限制了器件的光电转化效率。为了解决上述问题，研究者已有开发了多种基于有机分子的界面钝化策略，例如富勒烯衍生物、苯甲酸衍生物、有机芳铵盐等。然而有机材料包括有机活性层本身，容易在电子传输层表面被光催化降解，从而导致器件性能的衰退。
中科院苏州纳米所印刷薄膜光伏实验室骆群研究员、马昌期研究员一直致力于倒置有机太阳能电池效率与稳定性的优化。在前期的工作中，该研究团队已经开发了利用包括路易斯酸（ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 17869–17881 (2021)）、有机醇（Sol. RRL, 5, 2000638（2021））葡萄糖（Chin. J. Polym. Sci. 40,1594–1603 (2022)）、核苷酸（Chin. J. Chem. 42, 1582-1592（2024））来钝化ZnO的方法，实现了有机太阳能电池效率和寿命的提升。在本研究中，研究团队联合芬兰埃博学术大学Ronald Osterbacka 教授开发了一种原位转化的无机 SiOxNy 钝化层，该层通过室温下将溶液法沉积的全氢聚硅氮烷（PHPS）进行原位转化获得（图1）。相比于常见的真空物理制备方法如：原子层沉积（ALD），这一方法与湿法印刷工艺更兼容，具有显著的优势。
图1. SiOxNy钝化层的制备过程及在器件中的分布状况
进一步的深入分析表明， SiOxNy修饰层诱导了非富勒烯受体在ZnO界面处的富集，从而促进了电荷提取（图2）。同时，PHPS的活性Si–H基团能够与ZnO形成Zn-O-Si 键，有效钝化ZnO 表面缺陷。结合理论模拟发现，PHPS钝化ZnO缺陷后可以消除ZnO/活性层接触界面的n-型掺杂，从而消除界面少子的复合，有效提升电池的短路电流 (图3)。两种效应的结合，使得有效面积为5.77mm2和100.17mm2的倒置有机光伏的能量转化效率分别达到了18.55%和18.12%，同时第三方认证效率分别为18.49%和18.06%。更为重要的是，SiOxNy薄层可以将有机光活性层与ZnO进行有效分隔，从而降低ZnO对有机半导体材料的光催化降解。利用SiOxNy钝化的器件在连续白光照射下，T80寿命达到了24700小时（图4）。
图2. SiOxNy层与ZnO和非富勒烯受体的相互作用探究
图3. 理论模拟结合实验验证SiOxNy消除ZnO接触活性层界面的n-型掺杂
图4. SiOxNy钝化ZnO器件的效率及稳定性
本论文提出了一种新型的可溶液法加工制备的无机界面钝化层，为后续开发高稳定性倒置有机光伏提供了思路。同时，这一研究也详细解释了有机太阳能电池界面钝化提升器件短路电流的新机制。相关论文在线发表在Nature Photonics上。论文第一作者为苏州纳米所2023届毕业博士刘博文（现为河南大学讲师），通讯作者为中国科学院苏州纳米所骆群研究员、马昌期研究员和芬兰埃博学术大学Ronald Osterbacka 教授。该工作得到国家自然科学基金、中国科学院以及苏州市外籍院士工作站等项目支持，同时得到了中国科学院苏州纳米所Nano-X的表征技术支持。
论文信息：
Inverted organic solar cells with an in situ-derived SiOxNy passivation layer and power conversion efficiency exceeding 18% Bowen Liu, Oskar J. Sandberg, Jian Qin, Yueying Liu, Sebastian Wilken, Na Wu, Xuelai Yu, Jin Fang, Zhiyun Li, Rong Huang, Wusong Zha, Qun Luo, Hongwei Tan, Ronald Osterbacka and Chang-Qi Ma
Nature Photonics
DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-024-01574-0
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41566-024-01574-0
