科技日报记者 夏凡 通讯员 黄莎莎
记者10月24日从中国科学院宁波材料所获悉，该所葛子义研究员、刘权研究员团队提出一种分子锁定新策略，给有机太阳能电池的透明电极与界面修饰分子之间加上“化学锁扣”，同步提升器件效率和长期稳定性。基于该策略，15.6平方厘米孔径面积有机太阳能组件的有效面积效率超过18.8%。相关成果近日发表于国际期刊《焦耳》。
有机太阳能电池可以像印报纸一样“印”出来，具有柔性、轻质、低成本和大面积制造潜力，实验室小面积单结器件光电转换效率已超过20%。但从实验室小电池走向商业化组件，仍有一个关键瓶颈：商用透明导电电极铟锡氧化物（ITO）与膦酸自组装单分子层（SAM，一种超薄界面修饰材料）之间的界面不够稳定。传统界面材料PEDOT:PSS存在酸性和吸湿等问题，影响器件寿命；SAM虽能改善电极能级匹配和空穴提取，但商用ITO表面可“抓住”分子的位点少且不均匀，导致SAM覆盖不完整、结合较弱，在持续光照和受热老化下容易脱附，进而造成界面电荷损失，组件放大后效率和稳定性同时下降。
针对这一难题，团队在前期大面积太阳能电池组件研究的基础上，提出基于配体交换反应的“分子锁定”策略。形象地说，就是先在商用ITO表面真空镀上一层含铟和氯的中间层（InClx），经过紫外臭氧处理，形成ITO-Cl界面，再通过热退火触发SAM与InClx配体交换化学反应：氯离子作为“牺牲离去基团”，与膦酸基团释放的氢结合成氯化氢挥发掉，驱动形成牢固的铟—氧—磷三点配位网络。形象地说，原来膦酸分子在ITO表面只能“搭一只手”，现在被改造成了“三只手同时攥紧”的锚定结构，而且这些“锚点”是在电极表面原位长出来的，密集、均匀、反应活性高。这样，原本松散、不亲和的ITO-SAM界面被改造成密集的“锚定模板”，让修饰分子近乎完整地铺成单层。多种测试和分子模拟表明，该中间层能抑制SAM团聚，让覆盖更均匀，改善电极能级匹配，并增强耐溶剂冲洗和热老化能力；该方法对多种膦酸类SAM材料具有通用性。
基于这一“分子锁定”界面，实验室小面积有机太阳能电池效率达到20.4%，平均效率19.9%。在15.6平方厘米孔径面积组件上，孔径效率（按开口面积计）为17.88%，有效面积效率超过18.8%，第三方认证孔径效率为17.2%。稳定性方面，封装小器件在国际通用ISOS-L-1光照老化测试中，于最大功率点连续工作2000小时后仍保持超过85%初始效率；组件在连续光照600小时后保持超过95%；75℃热老化1000小时后保持超过90%；在更严苛的ISOS-L-3测试中，效率降至初始80%所需时间（T80）超过700小时。
据介绍，该研究为高效、稳定、可规模化有机光伏组件提供了通用界面平台，有望破解有机光伏“效率、稳定性、可扩展性”难以兼得的“三角难题”。
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