基于三氟苯甲酸自组装阳极界面层的高性能有机太阳能电池

doi:10.7503/cjcu20230161

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (7): 20230161.doi: 10.7503/cjcu20230161

基于三氟苯甲酸自组装阳极界面层的高性能有机太阳能电池

何韦¹, 陈飞², 李鸿祥¹, 王嘉宇¹, 秦家强¹, 崔宁博², 严岑琪¹(), 程沛¹()

^1.四川大学高分子科学与工程学院, 高分子材料国家重点实验室
^2.水利水电学院, 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 成都 610065

收稿日期:2023-04-01 出版日期:2023-07-10 发布日期:2023-06-05
通讯作者: 严岑琪,程沛 E-mail:yancenqi@scu.edu.cn;chengpei@scu.edu.cn
基金资助:
高分子材料工程国家重点实验室自主课题(sklpme2022-3-02);四川省科技计划项目(2023YFH0085);西藏科技计划项目(2022wz002)

High-performance Organic Solar Cells Based on Trifluorobenzoic Acid Self-assembled Anode Interfacial Layers

HE Wei¹, CHEN Fei², LI Hongxiang¹, WANG Jiayu¹, QIN Jiaqiang¹, CUI Ningbo², YAN Cenqi¹(), CHENG Pei¹()

^1.College of Polymer Science and Engineering，State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering
^2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，College of Water Resource and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China

Received:2023-04-01 Online:2023-07-10 Published:2023-06-05
Contact: YAN Cenqi, CHENG Pei E-mail:yancenqi@scu.edu.cn;chengpei@scu.edu.cn
Supported by:
the State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering, China(sklpme2022-3-02);the Sichuan Science and Technology Program, China(2023YFH0085);the Xizang Science and Technology Program, China(2022wz002)

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摘要/Abstract

摘要：

采用3,4,5-三氟苯甲酸(3FBA)材料构筑了自组装阳极界面层, 相比于传统阳极界面层PEDOT∶PSS和MoO₃, 3FBA界面层具有更高的透过率及更好的疏水性. 基于3FBA阳极界面层的有机太阳能电池实现了优异的短路电流密度(26.86 mA/cm²)与能量转换效率(18.16%), 明显高于基于PEDOT∶PSS界面层的器件(26.28 mA/cm², 17.62%)和基于MoO₃界面层的器件(26.00 mA/cm², 17.15%).

关键词: 有机太阳能电池, 阳极界面层, 三氟苯甲酸

Abstract:

A self-assembled anode interfacial layer was constructed using 3，4，5-trifluorobenzoic acid（3FBA）. Compared with traditional anode interfacial layers including PEDOT∶PSS and MoO₃， the 3FBA interfacial layer has higher transmittance and better hydrophobicity. Organic solar cells based on the 3FBA anode interfacial layers achieved high short-circuit current density of 26.86 mA/cm² and power conversion efficiency（PCE） of 18.16%， significantly excelling devices based on PEDOT∶PSS（26.28 mA/cm²， 17.62%） and devices based on MoO₃（26.00 mA/cm²， 17.15%）. This work provides a new idea for the design and construction of the anode interfacial layers of organic solar cells.

Key words: Organic solar cell, Anode interfacial layer, 3, 4, 5-Trifluorobenzoic acid

中图分类号:

TrendMD:

何韦, 陈飞, 李鸿祥, 王嘉宇, 秦家强, 崔宁博, 严岑琪, 程沛. 基于三氟苯甲酸自组装阳极界面层的高性能有机太阳能电池. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230161.

HE Wei, CHEN Fei, LI Hongxiang, WANG Jiayu, QIN Jiaqiang, CUI Ningbo, YAN Cenqi, CHENG Pei. High-performance Organic Solar Cells Based on Trifluorobenzoic Acid Self-assembled Anode Interfacial Layers. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20230161.

图/表 7

Fig.1 Device structure diagram of organic solar cells(A), chemical structural formula of 3FBA, PM6 and BTP⁃eC9(B) and KPFM images of PEDOT∶PSS, MoO3, and 3FBA on ITO substrates(1.5 μm×1.5 μm)(C)

Fig.2 J⁃V curves of organic solar cells based on different anode interfacial layers(A) under illumination of AM 1.5G(100 mW/cm2) and in dark(B), and EQE spectra of corresponding devices(C)

Table 1 Summary of key operating parameters of organic solar cells based on different anode interfacial layers under illumination of AM 1.5G(100 mW/cm2)*

Anode interfacial layer	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	J_cal/（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
PEDOT∶PSS	0.861（0.858±0.003）	26.28（25.81±0.30）	25.57	77.88（78.41±0.40）	17.62（17.37±0.17）
MoO₃	0.851（0.851±0.002）	26.00（25.70±0.19）	25.51	77.53（77.60±0.25）	17.15（16.96±0.13）
3FBA	0.857（0.855±0.003）	26.86（26.58±0.20）	26.30	78.90（78.04±0.55）	18.16（17.74±0.22）

Fig.3 Transmission(A) and absorption(B) spectra of ITO, ITO/PEDOT∶PSS, ITO/MoO3 and ITO/3FBA, transmission(C) and absorption(D) spectra of PEDOT∶PSS, MoO3 and 3FBA films(on quartz)

Fig.4 Topography atomic force microscope(AFM) images of ITO(A), ITO/PEDOT∶PSS(B), ITO/MoO3(C) and ITO/3FBA(D), photographs of water and diiodomethane droplets in contact with ITO(E), ITO/PEDOT∶PSS(F), ITO/MoO3(G) and ITO/3FBA surfaces(H)

Table 2 Contact angles, surface energy and root-mean-square surface roughness value(Rq) on various materials films

Solid surface	Water contact angle/（°）	Diiodomethane contact angle/（°）	Surface energy/（mN·m^-1）	R_q/nm
ITO	23.88	35.05	68.45	2.16
ITO/PEDOT∶PSS	18.49	41.19	69.85	1.25
ITO/MoO₃	19.83	41.16	69.32	2.08
ITO/3FBA	65.48	57.35	40.12	2.11

Fig.5 1D GIWAXS profiles along in⁃plane(A) and out⁃of⁃plane(B) directions of ITO, ITO/PEDOT∶PSS, ITO/MoO3, ITO/3FBA, ITO/PEDOT∶PSS/active layer, ITO/MoO3/active layerand ITO/3FBA/active layer

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基于三氟苯甲酸自组装阳极界面层的高性能有机太阳能电池

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