在过去二十年发展中，新型有机共轭材料的设计和合成进一步提升了有机光电器件的性能，如太阳能电池、光电探测器等。对于可溶液处理的三明治型器件，界面在调节载流子的提取和传输中起着重要的作用。其中电子传输层的选择已被证明是进一步提升填充因子的关键因素之一。通过设计功能材料、有机/无机杂化层、分子掺杂和溶液化学等策略来优化传输层形貌，来实现更好的能级排列和界面接触。
近期，苏州大学袁建宇教授等人使用多组分电子传输层策略制备了具有高填充因子和短路电流的高性能非富勒烯有机太阳能电池。通过将聚合物引入小分子电子传输层来调整薄膜形貌和器件的电学特性，创造更有效的电荷传输途径。此外，基于相同策略实现了具有低暗电流和高探测率的自供电有机光电探测器。电池和光电探测器性能的提高，彰显了多组分界面层策略的应用潜力及器件普适性。
该论文以“Inhibiting interfacial transport loss for efficient organic nonfullerene solar cells and photodetectors”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上，并被选为封面。
本工作采用的活性层材料和电子传输层材料的化学结构式如图1所示。给体PM6和非富勒烯受体的光学吸收光谱互补且覆盖可见光至近红外区域，有利于实现高效的光捕获。活性层及一系列界面层材料能级的评估表明二元电子传输层策略可以优化能级排列。
图1 材料结构示意图和光学电学性质。
使用基于ITO/PEDOT:PSS/PM6:Y6-based acceptor/ETL/Ag的器件结构，进一步探索了二元电子传输层对有机太阳能电池光伏性能的影响。与使用PNDIT-F3N和PDINN传输层的器件相比，二元PNDIT-F3N:PDINN传输层（w:w = 1:1）的器件光电转换效率有大幅度提升。为了证明二元电子传输层策略的普适性，进一步更换电子传输及活性层材料以研究相关有机太阳能电池的光电性能。
图2 (a) 有机太阳能电池的光电特性。
有机光电探测器与有机太阳能电池具有相似的器件结构，进一步将二元电子传输层策略应用于有机光电探测器中以扩展二元电子传输层策略的应用范围。基于二元电子传输层的探测器表现出较低的暗电流和略微增强的响应度和探测率。
图3 有机光电探测器的光电特性。
为了深入理解载流子迁移过程及器件性能增强的原因，进行了原子力显微镜研究。结果表明，PDINN传输层涂覆膜的表面有明显颗粒状，然而二元PNDIT-F3N:PDINN涂覆膜显示小分子的聚集行为被改善，并很好地保持了连续的互穿网络形态特性，与光学显微镜结果一致。PDINN传输层涂覆膜具有更高的荧光强度和不均匀分布，这些结果证明二元传输层表面形貌的改善可以增强界面处自由载流子提取的能力。
图4 (a-c）AFM图像和光学照片，(d-f）PL mapping图像。
最后，通过一系列的电学表征研究了器件中的电荷提取和复合过程，加深对光电性能提升内在机制的理解。
图5 (a) TPV曲线，(b) 开路电压与光强的关系，(c) 载流子迁移率统计柱状图，(d) 光电流密度与有效电压的关系，(e) 电导率曲线，(f) 器件电荷传输损耗和非辐射复合损耗，(g）电子传输层中载流子动态迁移的关系示意图。
本工作报导了一种简单而高效的多组分电子传输层策略，以提高非富勒烯有机太阳能电池和有机光电探测器的性能。研究证明，该策略可以实现良好的能级排列和界面接触，有效调节界面电荷转移、提取并进一步加速迁移，抑制界面电荷复合。二元PNDIT-F3N:PDINN (w:w, 1:1) 电子传输层在一系列非富勒烯有机太阳能电池中显示出其有效性和普适性，具有增强的填充因子和短路电流，在单结器件中实现了接近19%的PCE。此外，基于相同的二元电子传输层策略，实现了具有低暗电流和高探测率的自供电有机光电探测器，在载流子传输方面的进一步优化将促进有机光电器件的发展。
文章信息
Inhibiting interfacial transport loss for efficient organic nonfullerene solar cells and photodetectors
Jijiao Huang1, Bin Li1, Yuxin Kong, Jianyu Yuan*
Journal of Energy Chemistry
Dol: 10.1016/j.jechem.2024.07.044
作者信息
第一作者：黄继娇，苏州大学功能纳米与软物质研究院2023级硕士研究生，导师为袁建宇教授，研究方向高效有机太阳能电池和光电探测器。
共同第一作者：李斌，苏州大学功能纳米与软物质研究院2023级博士研究生，目前主要从事高效有机-纳米晶杂化太阳能电池研究，以第一/共一作者在Adv. Mater., Energy Environ. Sci., JEC等期刊发表论文9篇。
通讯作者：袁建宇，教授，博士生导师，苏州大学纳米科学技术学院党委副书记、副院长，主要从事新型有机/纳米晶光电材料与器件方向的研究。入选教育部“国家级青年人才”、“中国科协青年托举工程”、“江苏省优秀青年基金”等人才项目，发表 SCI 论文近200篇，其中以第一/通讯作者在 Nature Energy, Nature Commun., Joule, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci. JEC等发表论文 130 余篇，引用 9000 余次，H 因子 53，授权中国发明专利 12 项。入选全球前 2% 顶尖科学家，荣获第 21 届全国青年岗位能手称号；主持科技部重点研发计划重点专项(战略性/政府间)，国家自然科学基金(国合重点/面上/青年)等 20 余项科研项目。
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