研究背景
文章简介
该研究为解决 ZnO 的缺陷和提高器件效率与稳定性提供了一种有效的方法。相关成果以 “Application of a NADH-modified ZnO electron transport layer in high performance organic solar cells”（《NADH 修饰 ZnO 电子传输层在高性能有机太阳能电池中的应用》）为题，发表在国际著名期刊 Journal of Materials Chemistry C 上。
Figure 1. (a) NADH 的分子结构，(b) 静电势分布和 (c) FT-IR
Figure 2. (a) ZnO 和 ZnO:NADH 的 ZnO 2p 和 (b) ZnO:NADH 的 O 1s XPS 光谱，(c) ZnO 和 ZnO:NADH 的 FT-IR 光谱，(d) ZnO 和 NADH 的结合方式
Figure 3. (a) ZnO 和 ZnO:NADH UPS 的 Ecut 和 (b) EB, (c) ZnO 和 ZnO:NADH (0.02 mg/mL) 的能级谱，(d) ZnO 和 NADH 之间的界面偶极子，(e) ZnO 和 ZnO:NADH 的电导率（ITO/ZnO 或 ZnO:NADH [0.02 mg/mL]/Ag ）
通过 UPS 和 UV 可以计算出 Ec 、 Ev 和 WF ，如图 3c 所示。结果表明， NADH 修饰 ZnO 的 WF 由 4.34 eV 降至 4.17 eV 。ZnO 从 NADH 获得电子，增加了 ZnO 的电子密度，导致费米能级向上移动，同时也导致 NADH 表面带正电荷， ZnO 表面带负电荷（图 3d）。
因此，在 ZnO 和 NADH 的界面上形成了一个由 ZnO （负）到 NADH （正）的界面偶极子，导致 ZnO 表面的真空能级下移，最终使得 ZnO 的 WF 降低。而 WF 的降低减少了活性层和 ETL 之间的界面势垒，从而促进了电子的传输。
Figure 4. (a) ITO/ZnO 和 (b) ITO/ZnO:NADH （ 0.02 mg/mL ）的水接触角，(c)-(g) ITO/ZnO 和 ITO/ZnO:NADH 的 AFM
为了比较各传输层的表面能和表面性质，测定了 ITO/ZnO 和 ITO/ZnO:NADH (0.02 mg/mL) 膜的水接触角 (WCA)。如图 4a 和 b 所示， ITO/ZnO 的 WCA 为 56.5°，而 ITO/ZnO:NADH (0.02 mg/mL) 的 WCA 增加到 62.8°。WCA 的增加不仅有利于活性层的成膜，而且提高了活性层的结晶度。
图 4c 和 d 为 AFM 图， ITO/ZnO 和 ITO/ZnO/NADH 薄膜的均方根粗糙度 (RMS) 分别为 3.46 、3.25 、3.22 、3.29 和 3.34 nm。这是因为 NADH 填充了 ZnO 晶体中的空隙，使 ZnO 表面更光滑。但过量的 NADH 会在 ZnO 表面聚集，增加 ZnO 表面的粗糙度。粗糙度的降低有利于活性层的成膜，从而提高了 OSCs 的填充系数 (FF)。
Figure 5. (a) 太阳电池器件结构，(b) 太阳电池能带结构分布，(c) 以 PM6:Y6 为活性层的 OSCs J-V 曲线，(d) OSCs 对应的外量子效率（ EQE ）谱，(e) 不同 ETLs 下 OSCs 在黑暗中的 J-V 曲线
如表 1 和图 5c 所示，使用 ETL 时 ZnO、ZnO:NADH（0.01、0.02、0.1 和 0.2 mg/mL）的 J-V 曲线。ZnO ETL 器件的 PCE 为 15.55% (Jsc = 25.09 mA/cm², Voc = 0.83 V, FF = 74.52%)。经 NADH 修饰后，器件的最佳 PCE (ZnO:NADH) 达到 16.77% (Jsc = 26.37 mA/cm², Voc = 0.84 V, FF = 75.72%)，高于纯 ZnO 基 ETL 器件。
图 6. (a) 光强对 Jsc 的变化曲线，(b) 光强对 Voc 的变化曲线，(c) ZnO 和 ZnO:NADH ETL 的 OSCs 的 Jph-Veff，(d) ITO/ZnO 或 ZnO:NADH/Y6 的 PL，(e) ZnO 和 ZnO:NADH ETL 的 OSCs 的 TPC 和 (f) TPV。
图 7. 以 ZnO 和 ZnO:NADH 作为 ETL 在光环境中存储的器件的 PCE 演化（平均寿命为 30 个器件）。
表 1. 以 ZnO 和 ZnO:NADH 为 ETL 的 OSCs 在 AM 1.5 G （100 mW cm-2）辐射下的性能。
表 2. 总结了本工作中基于不同 ETL 的器件参数。
表 3. 在 AM 1.5 G (100 mW cm⁻²) 辐照下，ZnO 和 ZnO:NADH ETLs 的 OSCs 基 PM6:L8-BO 活性层的性能。
论文信息
Application of a NADH-modified ZnO electron transport layer in high performance organic solar cells
Hongye Li, Song Yang and Huangzhong Yu*
J. Mater. Chem. C, 2024, 12, 17429-17438
https://doi.org/10.1039/D4TC03144J
作者简介
本文第一作者，华南理工大学物理与光电学院硕士毕业生。2021 年毕业于华南理工大学物理与光电学院并获得理学学士学位，在校期间获得优秀班干部和多次学校奖学金。2024 年毕业于华南理工大学物理与光电学院并获得理学硕士学位，并获得优秀毕业生荣誉。主要研究有机太阳能电池的界面改性等研究工作，目前以第一作者已经发表了 3 篇 SCI 论文。
本文通讯作者，教授，博士生导师。2002 年 6 月获华南师范大学硕士学位，2008年 6 月获华南理工大学博士学位，2002 年 7 月加入华南理工大学物理与光电学院。现主要从事新型界面层、光伏器件物理、柔性电极等方面的研究。以第一作者或通信作者在国内、外重要刊物 Advanced Energy Materials、Angewandte Chemie International Edition、ACS Energy Letters, Advanced Functional Materials 等发表科研论文 130 余篇，其中 ESI 高被引论文 7 篇。授权(或正在申请)的国家发明专利 30 余项。
期刊介绍
rsc.li/materials-c
J. Mater. Chem. C
| 2-年影响因子* | 5.7分 |
| 5-年影响因子* | 6.0分 |
| JCR 分区* | Q1 物理-应用 Q2 材料科学-跨学科 |
| CiteScore 分† | 10.8分 |
| 中位一审周期‡ | 29 天 |
Journal of Materials Chemistry A、B 和 C 报道材料化学各领域的高质量理论或实验研究工作。这三本期刊发表的论文侧重于报道对材料及其性质的新理解、材料的新应用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry A、B 和 C 的区别在于所报道材料的不同预期用途。粗略的划分是，Journal of Materials Chemistry A 报道材料在能源和可持续性方面的应用，Journal of Materials Chemistry B 报道材料在生物学和医学方面的应用，Journal of Materials Chemistry C 报道材料在光学、磁学和电子设备方面的应用。
Editor-in-Chief
Natalie Stingelin
🇺🇸 佐治亚理工学院
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* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
📧 RSCChina@rsc.org
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