在溶液法制備的有機(jī)太陽(yáng)能電池中，表面能對(duì)體異質(zhì)結(jié)薄膜形貌的形成起到關(guān)鍵作用。通過(guò)給體與受體的表面能差異可以預(yù)測(cè)有機(jī)本體異質(zhì)結(jié)(BHJ)薄膜中兩相的混溶性，而底部界面層的表面能可以調(diào)節(jié)體異質(zhì)結(jié)的垂直分布和分子堆積取向。薄膜的表面能常采用Owens-Wendt模型通過(guò)測(cè)量接觸角的方法得到，但這種測(cè)試方法無(wú)法反映納米尺寸范圍內(nèi)的表面能分布，無(wú)法直接解釋體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中納米級(jí)的堆積和相分離變化。
周惠瓊課題組長(zhǎng)期致力于溶液法太陽(yáng)能電池的界面研究，針對(duì)界面層表面能的調(diào)控開展了一系列的研究。通過(guò)引入氧化鎢(WOx)納米顆粒提高了聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)空穴傳輸層的表面能，并在有機(jī)非富勒烯太陽(yáng)能電池中實(shí)現(xiàn)了80%的填充因子。而后進(jìn)一步深入探究了活性層堆積取向、界面層表面能與器件性能之間的關(guān)系，并將此界面修飾策略應(yīng)用于反型器件電子傳輸層研究之中。此外，該策略也能應(yīng)用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，采用生物聚合物肝素鈉改善了電子傳輸層的表面能，鈍化了界面缺陷，同時(shí)提高器件的效率和穩(wěn)定性。
在前期工作的基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)利用基于原子力顯微鏡的峰值力定量納米力學(xué)模式(PFQNM)技術(shù)，成功表征了有機(jī)太陽(yáng)能電池空穴傳輸層表面的納米級(jí)表面能分布。研究中發(fā)現(xiàn)，摻雜不同橫向尺寸的MoS2納米片，可以有效調(diào)控PEDOT:PSS層的表面能微觀分布，增強(qiáng)表面能分布的非均一性。這種非均一性的納米級(jí)表面能分布可以進(jìn)一步調(diào)控活性層的分子排列和結(jié)晶取向，調(diào)控活性層給體和受體間的相分離。由于表面能分布調(diào)控策略對(duì)活性層形貌的優(yōu)化，太陽(yáng)能電池器件的性能和穩(wěn)定性均得到提升，并實(shí)現(xiàn)了18.27%的光電轉(zhuǎn)換效率(經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院認(rèn)證的效率為17.80%)。當(dāng)給受體之間表面能之差越大，該策略對(duì)其器件效率的提升率越高。
上述研究工作得到了其他合作者的支持，以及科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院相關(guān)項(xiàng)目等的資助。
PEDOT:PSS薄膜和MP-2薄膜的納米級(jí)表面能分布;非均一性的表面能分布與給受體間的表面能差異、器件效率提高之間的聯(lián)系
