Adv. Mater. 四川大学程沛、北京大学周欢萍：透明光伏DOP策略实现13.7% PCE，无光学结构LUE达 4.63%

2025-12-08 11:22:14 光焱科技股份有限公司

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研究背景与核心策略

有机半导体(Organic Semiconductors, OSCs)凭借其轻量化、柔性与溶液加工等优势,广泛应用于有机发光二极管、场效应晶体管及光伏器件等领域。然而,由于有机分子晶体间主要依赖较弱的范德华力(Van der Waals forces)相互作用,其结构相较于原子或离子晶态的无机半导体存在更高的静态与动态无序性。此类无序性会形成能带尾(band tails)态,遵循高斯无序模型(Gaussian disorder model)分布,并延伸进入禁带。这些能带尾态充当陷阱,抑制电荷载流子传输,增加复合几率,限制了有机电子器件的性能。

能阶无序性(energetic disorder)的程度通常以Urbach能量(EU)来量化,它反映了吸收光谱边缘的陡峭度与态密度(DOS)的宽度。因此,如何有效抑制EU是提升有机电子器件性能的关键。

该研究由四川大学程沛、王嘉宇、北京大学周欢萍教授与沙特阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)等机构的学者合作,成果发表于《先进材料》(Advanced Materials)期刊。研究团队提出了一种通用且简便的策略:利用邻苯二甲酸酯类(phthalate esters)作为组装诱导剂(Assembly-Inducing Agents, AIAs),通过与聚合物的烷基侧链(alkyl side chains)相互作用,促进有机半导体薄膜(PM6)的有序堆叠,进而降低能阶无序性。(图1a)

核心成果显示,通过添加邻苯二甲酸二辛酯(Dioctyl Phthalate, DOP),有机半导体PM6薄膜的Urbach能量从98.0 meV降低至74.6 meV,降幅达23.9%。(图3f)

该策略成功地将半透有机光伏器件(STOPVs)的平均可见光透过率(AVT)提升了11.2%(从30.4%增至33.8%),同时保持了功率转换效率(PCE)。最终,在无光学结构的器件中,其光利用效率(LUE)达到了4.63%。(Table S9, Fig.5i)

J-V、VOC与EQE表征

该研究针对DOP处理的PM6/BTP-eC9共混薄膜,采用了ITO/PEDOT:PSS/PM6/BTP-eC9/PDINN/Au/Ag的常规半透器件架构。

J-V测量条件与性能分析

光源采用Enlitech配备AM 1.5G太阳光谱滤光片的SS-X50太阳模拟器,光功率校准至标准100 mW cm^-2。器件的有效面积为0.0256 cm^2。

经DOP处理后,PM6/BTP-eC9 STOPV的最佳PCE达到13.7%,开路电压(VOC)为0.842 V,短路电流密度(JSC)为21.4 mA cm^-2,填充因子(FF)为76.0%。相较于原始器件的最佳PCE 13.4%(VOC 0.845 V, JSC 21.1 mA cm^-2, FF 75.5%),DOP处理后的JSC与FF略有提升,这归因于PM6薄膜载流子迁移率的提高。(图5b)

VOC的细微下降(从0.845 V降至0.842 V)可通过紫外光电子能谱(UPS)结果解释:DOP处理导致PM6的最高占据分子轨道(HOMO)能级从5.17 eV上移至4.97 eV,这减少了给体/受体界面间的能级偏移,与VOC的轻微降低相符。(图S12)

VOC损失与载流子动力学

器件的VOC损失(ΔVOC)通过能带隙(Eg^PV)减去VOC来计算。Eg^PV是由外量子效率(EQE)光谱对光子能量的导数曲线确定的。原始器件的Eg^PV为1.427 eV,ΔVOC为0.564 V;DOP处理后的器件Eg^PV为1.411 eV,ΔVOC则降低至0.551 V。ΔVOC的减少直接归因于PM6薄膜能阶无序性的降低。(图S17)

在电荷复合分析方面,VOC对光强度(Plight)的依赖性分析显示,原始与DOP处理器件的斜率分别为1.091 kT/q和1.077 kT/q。这两个数值接近1,表明双分子复合(bimolecular recombination)在这两种器件中占主导地位。然而,JSC对Plight的关系系数α则由原始器件的0.948提高至DOP处理器件的0.973,表明DOP确实抑制了双分子复合。(图S16)

瞬态光电压(TPV)与瞬态光电流(TPC)测量证实了载流子动力学的改善。DOP处理使载流子寿命从1.07 μs延长至1.39 μs(图5g)。

同时,电荷萃取时间则从0.361 μs缩短至0.299 μs(图5h)。这些结果共同解释了DOP处理器件JSC略微提高的原因。

外量子效率(EQE)光谱与收集效率关联

EQE光谱是使用Enlitech QE-R太阳能电池光谱响应测量系统测量的。EQE积分电流与JSC检核结果显示,原始与DOP处理器件的EQE积分JSC皆为20.4 mA cm^-2,与实际JSC数据吻合。

DOP处理后的器件在PM6的吸收区(300–600 nm)EQE略低,但在BTP-eC9的吸收区(700–1000 nm)EQE则较高(图5d)。尽管光谱改变,但内部量子效率(IQE)却有显着提升:原始器件的最大IQE为94.3%(520 nm),DOP处理器件的最大IQE则在500–580 nm范围内超过95%,峰值达99.2%(540 nm)。这证明DOP能够促进光电转换过程。

结论与研究成果

该工作证明了利用邻苯二甲酸酯类AIA通过烷基侧链相互作用,是一种有效抑制有机半导体能阶无序性的普适性策略。通过DOP的改质,PM6薄膜的EU降低了23.9%,吸收峰全宽半高(FWHM)变窄了11%,并增强了分子堆叠的有序性(GIWAXS数据显示π–π堆叠距离缩短至3.86 Å,相干长度增加至20.28 Å)。(Table S2)

在应用层面,DOP处理使有机场效应晶体管(OFETs)的平均空穴迁移率提高了33.3%(从0.15增至0.20 cm^2 V^-1 s^-1),并使得STOPV在保持高PCE(13.7%)的同时,实现了33.8% AVT和4.63% LUE。(图5i、表S9)

研究的核心贡献在于,它提供了一种简便的工艺途径来管理复杂的载流子动力学与材料界面特性。EQE、TPV与VOC分析清晰地揭示了能阶无序性的降低不仅延长了载流子寿命,还抑制了双分子复合,促进了电荷萃取,最终转化为高性能和高透光度的光伏器件。此方法为未来有机电子器件的性能优化提供了新的材料设计和工艺调整方向。后续研究可着重于将此AIA策略推广至更广泛的有机半导体体系,并结合光学结构进一步验证LUE的极限。