研究背景
在过去的几年里，大量的研究工作已经将单结和多结有机太阳能电池的能量转换效率(PCE)分别提高到19 %和20 %以上。提高PCE的大部分进展是通过开发新的活性材料，夹层，和器件加工协议来实现的。然而，令人惊讶的是，高性能OSCs的长期稳定性受到了有限的关注，这仍然是商业化的主要障碍之一。OSCs退化的主要原因有两个：i)暴露在氧气和水分中引起的外在不稳定性；ii)由光照、温度和机械应力诱导的内在不稳定性。外在不稳定性可以通过细胞封装来解决，而内在不稳定性只能通过精细调节活性材料和器件中间层来最小化。
富勒烯类小分子，如苯基-C61-丁酸甲酯(PC60BM)和苯基-C71-丁酸甲酯(PC70BM)，被广泛用作有机太阳能电池的电子受体。然而，众所周知，这些富勒烯衍生物形成的聚集体会对OSC性能产生不利影响。非富勒烯受体(NFAs)的出现，如引达省并二噻吩(IDT)和基于ITIC的小分子，使更高的性能和更高的稳定性成为可能。目前，基于Y6的非富勒烯受体与一种或多种活性组分结合，已经实现了PCEs>19%(见化学全名的支持性资料)的单结OSCs的开发。尽管取得了巨大的进步，但对Y6基OSCs长期稳定性的研究仍然不足。
在这里，作者研究了电荷传输界面层对基于二元PM6：L8-BO BHJ的OSCs降解行为的影响。作者评估了多种HELs，包括PEDOT：PSS，2PACz，MeO-2PACz，MoOx，MoOx/2PACz，MoOx/MeO-2PACz，结合两个电子传输层(ETLs)，即PDINN和ZnO。作者的研究结果表明，含有PEDOT：PSS或SAM HELs的OSCs在最大功率点跟踪(MPPT)下，只有在持续热应力(在85℃下) 24 h和光照1 h后，其性能才会迅速下降到初始性能(T80)的80 %。通过在ITO和SAMs之间插入一层薄薄的MoOx(10 nm)，可以抑制器件退化，并将T80分别提高到50和12 h，用于热应力和MPPT。此外，作者发现使用PDINN作为ETL不利于细胞的降解。通过将其替换为ZnO纳米颗粒(ZnONP)，作者证明了在连续热应力和MPPT下，OSCs的能量转换效率(PCE)>15%，T80分别为1000和170 h。最后，作者比较了由相同层但相反结构组成的OSCs，发现p-i-n电池比n-i-p器件更加稳定。作者的研究为基于SAM的OSCs性能下降的机制提供了新的见解，并强调了HEL和ETL的重要作用，这可以为未来改善OSCs的努力提供参考。
近日，沙特阿拉伯阿布杜拉国王科技大学物理科学和工程部门Schwingenschlogl教授在Energy & Environmental Materials上发表了题“Stable Organic Solar Cells Enabled by Simultaneous Hole and Electron Interlayer Engineering”的研究论文。报道了一种通过同时进行空穴和电子界面工程来实现稳定的有机太阳能电池。我们开发了基于NFA的OSCs，使用了不同的电荷提取中间层材料，并研究了它们的存储、热和操作稳定性。尽管能量转换效率(PCE)较高(17.54%)，但作者发现以自组装单分子层(SAMs)作为空穴提取中间层的电池表现出较差的稳定性。这些OSCs达到其初始性能(T80)的80 %所需的时间在氮气氛围中85℃的持续热应力下仅需6 h，在真空中最大功率点跟踪(MPPT)下仅需1 h。在ITO和SAM之间插入MoOx，在热和操作稳定性测试后，T80分别提高到50和$15 h，同时保持16.9%的PCE。将有机PDINN电子传输层替换为ZnONPs，进一步提高了电池的热稳定性和操作稳定性，T80分别提高到1000和170 h。作者的工作揭示了电荷选择性界面层和器件结构在开发高效稳定的OSCs中的协同作用。
2PACz和MeO-2PACzSAMs的分子结构（图1a），光透过率测试表明，在ITO和SAM之间引入MoOx降低了330~480 nm光谱范围内的总透过率（图1b），通过空气中的光电子能谱(PESA)和开尔文探针力显微镜(KPFM)分别测量了各种HEL相对于PM6的最高占据分子轨道(HOMO)和功函数(WF)（图1c）。作者进行了第一性原理计算，以深入了解MoOx与SAMs之间的原子间相互作用，如图1d所示。
为了研究不同HEL对器件性能的影响，作者制备了p-i-n(normal)OSCs。对应电池的J-V曲线、参数统计和EQE如图2所示。
图1.a)2PACz和MeO-2PACz的分子结构。b)不同HEL的透射光谱。由于SAMs的超薄特性，ITO，ITO/2PACz和ITO/MeO-2PACz的透射光谱几乎无法区分，而ITO/MoOx，ITO/MoOx/2PACz和ITO/MoOx/MeO2PACz的透射光谱几乎完全相同。c)用PESA测量了不同HEL体系的HOMO (固体线)，用KPFM测量了以PM6为电子给体的WF(虚线)。d)i)MoO3(010)和ii)O缺陷MoO3表面的弛豫晶体结构。iii)2PACz和iv)MeO-2PACz吸附在O缺陷MoO3表面。
图2. a)器件结构，b)J-V曲线，c)10个器件的统计数据，d)不同HEL的PM6：L8-BO BHJ体系OSCs的EQE光谱。这些图形中的数据曲线具有相同的色彩协调性。
