界面偶極如何影響有機與鈣鈦礦太陽電池的能帶結(jié)構(gòu)與性能

李永舫

1中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室，北京分子科學國家研究中心，北京 100190

2蘇州大學材料與化學化工學部，先進光電材料實驗室，江蘇 蘇州 215123

界面偶極對器件界面能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控機理。

界面能帶結(jié)構(gòu)是指界面處電子能帶的彎曲和傾斜。它能顯著影響載流子的產(chǎn)生、注入、分離、傳輸、復合和收集等過程，是半導體光電子器件性能的重要影響因素。因此，優(yōu)化界面能帶結(jié)構(gòu)、調(diào)控器件性能與工作機理是光電子器件領(lǐng)域的核心課題之一。如果將一組相距很近的正負點電荷肩并肩排列所組成的偶極層插入器件界面，電勢能穿過偶極層時會發(fā)生突變，將能有效調(diào)控界面能帶結(jié)構(gòu)和載流子運動過程。

過去十年間，界面偶極層被廣泛應用于有機和鹵化物鈣鈦礦等新型太陽電池中。2011年何志才等人報道，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有機太陽電池的活性層和頂電極之間插入一層很薄的電子傳輸層材料poly[(9,9-bis(3'-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)] (PFN)，能夠同時提高開路電壓、短路電流密度和填充因子，打破了此前開路電壓和短路電流密度相互制約的瓶頸，獲得了當時領(lǐng)域內(nèi)最高的效率～8.37%1。研究表明，PFN電子傳輸層具有很強的偶極矩，其正電荷端指向負極而負電荷端指向活性層，不僅可以有效降低電子傳輸勢壘并提高空穴傳輸勢壘，而且電偶極矩與內(nèi)建電場疊加可以提升器件內(nèi)部電場，促進載流子的有效分離和選擇性傳輸。隨后，他們在反式結(jié)構(gòu)有機太陽電池的底電極和活性層之間插入PFN薄層電子傳輸層，進一步將效率提高至～9.2%2。相關(guān)工作促進了有機太陽電池能量轉(zhuǎn)換效率的提升，引起了對界面調(diào)控研究的重視。

有機太陽電池領(lǐng)域積累的豐富的界面修飾層材料同樣被應用到了鈣鈦礦太陽能電池中。其中，針對鈣鈦礦特征化學結(jié)構(gòu)的界面調(diào)控方法備受關(guān)注。例如，針對鈣鈦礦表面大量的未飽和Pb2+缺陷，將末端為三個二乙基胺的富勒烯衍生物(PCBB-3N)碘離子化(PCBB-3N-3I)之后，I-與Pb2+之間的靜電相互作用不僅可以鈍化鈣鈦礦表面未飽和Pb2+缺陷，而且能誘導富勒烯擇優(yōu)取向形成界面偶極層，從而優(yōu)化界面能帶結(jié)構(gòu)，顯著提升了器件性能3。

雖然界面偶極在推動有機和鈣鈦礦太陽電池的發(fā)展中效果顯著，但是界面偶極的來源和作用機理尚存爭議，限制其進一步優(yōu)化設(shè)計和廣泛應用。例如，界面偶極層所使用的特定溶劑，也能與活性層之間發(fā)生化學相互作用，產(chǎn)生顯著的偶極矩4；活性層和頂電極之間插入偶極矩相反的兩種界面偶極層，卻可以實現(xiàn)相同的載流子選擇性傳輸效果1,5；基于超薄絕緣材料的界面偶極層，對于載流子的選擇性傳輸機理同樣可以歸因于隧穿接觸6等等。

為此，中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所陳立桅研究員課題組分析了有機和鈣鈦礦太陽能電池中各種界面層的偶極方向和強度，并進一步總結(jié)了界面偶極對器件光伏性能的影響7。首先，他們從偶極層的基本物理概念出發(fā)，描述了其靜電場物理特征。其次，他們對比了各種界面偶極表征技術(shù)，并強調(diào)了原位、工況表征技術(shù)的優(yōu)勢。接著，他們按照器件結(jié)構(gòu)將界面偶極材料體系進行分類，綜述了各種界面層的偶極方向和強度對器件性能的重要影響。最后對未來的研究進行了展望，建議將界面偶極的原位、工況測量結(jié)果和器件數(shù)值模擬進行更好的結(jié)合，建立界面性質(zhì)和能帶結(jié)構(gòu)與器件工作機理之間關(guān)系的全面理解。未來研究還可以更進一步探索在靜電場模型之上，界面偶極材料的分子細節(jié)與化學性質(zhì)對器件性能和壽命的影響。

上述論文近期以展望的形式在Journalofthe AmericanChemicalSociety上在線發(fā)表7。該文章不僅闡明了界面偶極的來源和作用機理，而且為界面偶極的進一步優(yōu)化提供了重要的思路。