β-丙氨酸作为有机太阳能电池双重修饰添加剂的研究

doi:10.7503/cjcu20230185

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (9): 20230185.doi: 10.7503/cjcu20230185

β-丙氨酸作为有机太阳能电池双重修饰添加剂的研究

ZAFAR Saud uz¹, 张伟超², 杨朔³, 李世麟², 张莹玉¹, 张渊², 张弘¹(), 周惠琼¹()

^1.中国科学院大学, 中国科学院纳米系统与多级次制造重点实验室, 中国科学院纳米科学卓越中心, 国家纳米科学与技术中心, 北京 100190
^2.北京航空航天大学化学学院, 北京 100191
^3.北京廷润膜技术开发股份有限公司, 北京 101100

收稿日期:2023-04-12 出版日期:2023-09-10 发布日期:2023-06-01
通讯作者: 张弘,周惠琼 E-mail:zhanghong@nanoctr.cn;zhouhq@nanoctr.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52273245);中国科学院战略性先导科技专项(XDB36000000);中国科学院-世界科学院校长博士奖学金计划项目资助

Beta-alanine as a Dual Modification Additive in Organic Solar Cells

ZAFAR Saud uz¹, ZHANG Weichao², YANG Shuo³, LI Shilin², ZHANG Yingyu¹, ZHANG Yuan², ZHANG Hong¹(), ZHOU Huiqiong¹()

^1.CAS Key Laboratory for Nanosystem and Hierarchical Fabrication，CAS Centre for Excellence in Nanoscience，National Center for Nanoscience and Technology，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^2.School of Chemistry，Beihang University，Beijing 100191，China
^3.Beijing Tingrun Membrane Technology Development Co. ，Ltd. ，Beijing 101100，China

Received:2023-04-12 Online:2023-09-10 Published:2023-06-01
Contact: ZHANG Hong, ZHOU Huiqiong E-mail:zhanghong@nanoctr.cn;zhouhq@nanoctr.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52273245);the Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences(XDB36000000);the Chinese Academy of Sciences-the World Academy of Sciences（CAS-TWAS） President’s Ph.D. Fellowship Program

摘要/Abstract

摘要：

β-丙氨酸分子的两侧分别为1个羟基(—OH)/羧基(—COOH)和1个胺基(—NH₂), 这使其成为一种理想的双修饰剂. 本文将双修饰技术应用于空穴传输层[HTL, 聚(3,4-乙烯二氧噻唑)∶聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT∶PSS)]以及电子传输层(ETL), 并通过简单的溶液处理技术将聚(9,9-双(3'-(N,N-二甲基)-N-乙基氨丙基-2,7-芴)-2,7-(9,9-二辛基芴))二溴化物（PFN-Br）加入同一装置中, 从而合成了新界面层. 将甲醇和水作为极性溶剂, 使β-丙氨酸成为可溶解的化合物. 通过这种双重修饰方法, PM6∶Y6太阳能电池的光电转换效率(PCE)从14.99%提高到15.78%. 接触角测量和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征结果表明, 两层界面都得到了增强的疏水性, 从而避免了水分和氧气与它们各自的电极发生作用. 利用原子力显微镜对表面形貌进行了分析. 结果表明, β-丙氨酸的胺基与PSS的—SO $3 -$ 基团以及PFN-Br的金属离子相互作用, 从而降低了它们的浓度, 提高了疏水性, 改善了OSC的稳定性. 空间电荷限制电流(SCLC)测量发现, 双修饰方法可以改善修饰后器件的载流子迁移率.

关键词: β-丙氨酸, 添加剂, 界面改性, 传输层, 有机太阳能电池

Abstract:

This work presents a novel approach to modify the interface of organic solar cells（OSCs） by using beta- alanine（β-alanine） which has a hydroxyl（—OH）/carboxyl group（—COOH） group on one side and amine（—NH₂） on the other side. As a dual modifier approach， β-alanine was applied to both the hole-transporting layer（HTL， PEDOT∶PSS） and electron-transporting layer（ETL）； PFN-Br was added in the same device through a simple solution-processed technique， resulting in the synthesis of new interface layers. β-alanine is soluble in polar aqueous solvents， and their soluble components in this work are methanol and water. Dual modification approach improved the power conversion efficiency（PCE） of PM6∶Y6 solar cells， increasing from 14.99% to 15.78% among with a single-sided approach. The hydrophobicity of both layers was enhanced as confirmed by contact angle and FTIR measurements， which blocked moisture and oxygen from interacting with their respective electrodes. The surface morphology was analyzed using AFM. The results showed that the amine group of β-alanine interacted with the —SO $3 -$ group of PSS as well as with the bromine halogen（Br^‒） ion of PFN-Br， which reduced their concentration which elevated the hydrophobicity and improved the stability of the OSCs. Furthermore， the carrier mobilities for both the modified devices were improved， which was confirmed by the space-charge-limit current（SCLC） measurements.

Key words: Beta-alanine, Additive, Dual-modification, Transporting layer, Organic solar cell

中图分类号:

O647.2

TrendMD:

ZAFAR Saud uz, 张伟超, 杨朔, 李世麟, 张莹玉, 张渊, 张弘, 周惠琼. β-丙氨酸作为有机太阳能电池双重修饰添加剂的研究. 高等学校化学学报, 2023, 44(9): 20230185.

ZAFAR Saud uz, ZHANG Weichao, YANG Shuo, LI Shilin, ZHANG Yingyu, ZHANG Yuan, ZHANG Hong, ZHOU Huiqiong. Beta-alanine as a Dual Modification Additive in Organic Solar Cells. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(9): 20230185.

图/表 6

Fig.1 Chemical structures of β⁃alanine(A), PEDOT∶PSS(B) and PFN⁃Br(C), schematic illustration of mixing both transporting layers with β⁃alanine(D), schematic device structure representation of OSCs(E)

Table 1 Photovoltaic parameters of the conventional architecture of OSCs based on PM6∶Y6 system with pristine PEDOT∶PSS, PFN∶Br and modified versions with β ⁃alanine(A⁃PEDOT∶PSS and A⁃PFN⁃Br) a

BHJ System PM6∶Y6	HTL/ETL	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^‒2）	FF（%）	PCE ^b （%）
Control	PEDOT∶PSS/PFN⁃Br	0.821	24.52	74.43	14.99
A⁃PEDOT∶PSS	With PFN⁃Br	0.829	25.35	73.96	15.56
A⁃PFN⁃Br	With PEDOT∶PSS	0.827	25.91	73.39	15.65
Both	A⁃PEDOT∶PSS/A⁃PFN⁃Br	0.828	26.00	73.67	15.78

Fig.2 Current density versus voltage(J⁃V) curves of PM6∶Y6 active layer using different ETL and HTL modified layers(control, A⁃PEDOT∶PSS, A⁃PFN⁃Br and both)(A), dark J⁃V characteristics of various devices(B) and EQE spectra for PEDOT∶PSS and A⁃PEDOT∶PSS(C) and for PFN⁃Br and A⁃PFN⁃Br(D)（A） The inset picture is a zoom-in on the curves.

Fig.3 SCLC carrier mobility graphs for hole transporting layers PEDOT∶PSS(A), electron transporting layer PFN⁃Br(B), modified HTL(A⁃PEDOT∶PSS)(C) and modified ETL(A⁃PFN⁃Br)(D)Insets are device architecture structures.

Fig.4 FTIR analysis of PEDOT∶PSS with different percentages of β⁃alanine(A), FTIR of pristine PEDOT∶PSS(a) and PEDOT∶PSS with 2.0 mg of β⁃alanine(b)(B), UV⁃Vis absorption of PEDOT∶PSS and A⁃PEDOT∶PSS(C), UV⁃Vis absorption of PFN⁃Br and A⁃PFN⁃Br(D), transmittance of PEDOT∶PSS and A⁃PEDOT∶PSS(E) and transmittance of PFN⁃Br and A⁃PFN⁃Br(F), the normalized stability graph of different devices(G)

Fig.5 AFM images of PEDOT∶PSS height(A), phase(B) and A⁃PEDOT∶PSS height(C) and phase(D), PFN⁃Br height(E), phase(F), A⁃PFN⁃Br height(G), phase(H), the contact angle(water) of PEDOT∶PSS, A⁃PEDOT∶PSS(I) and PFN⁃Br and A⁃PFN⁃Br(J)

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β-丙氨酸作为有机太阳能电池双重修饰添加剂的研究

Beta-alanine as a Dual Modification Additive in Organic Solar Cells

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