碳点在有机太阳能电池界面工程中的应用与展望

doi:10.7503/cjcu20240416

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 20240416.doi: 10.7503/cjcu20240416

碳点在有机太阳能电池界面工程中的应用与展望

王欣¹^,², 王宇¹, 穆富茂¹, 闫翎鹏¹(), 王振国², 杨永珍³()

^1.太原理工大学材料科学与工程学院，太原 030024
^2.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，苏州 215123
^3.太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室，太原 030024

收稿日期:2024-09-02 出版日期:2025-06-10 发布日期:2024-10-14
通讯作者: 杨永珍 E-mail:yanlingpeng@tyut.edu.cn;yangyongzhen@tyut.edu.cn
作者简介:闫翎鹏，男，博士，副研究员，主要从事有机太阳能电池衰减机理及其稳定性提升方面的研究. E-mail： yanlingpeng@tyut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62404239);山西省基础研究计划项目(20210302123164);山西浙大新材料与化工研究院科技研发项目(2022SX-TD012)

Applications and Prospects of Carbon Dots in Interface Engineering of Organic Solar Cells

WANG Xin¹^,², WANG Yu¹, MU Fumao¹, YAN Lingpeng¹(), WANG Zhenguo², YANG Yongzhen³()

^1.School of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China
^2.Suzhou Institute of Nanotechnology and Nano?bionics，Chinese Academy of Sciences，Suzhou 215123，China
^3.Key Laboratory of Interface Science and Engineering for New Materials，Ministry of Education，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China

Received:2024-09-02 Online:2025-06-10 Published:2024-10-14
Contact: YANG Yongzhen E-mail:yanlingpeng@tyut.edu.cn;yangyongzhen@tyut.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(62404239);the Fundamental Research Program of Shanxi Province, China(20210302123164);the Research and Development Project of Shanxi-Zheda Institute of Advanced Materials and Chemical Engineering, China(2022SX-TD012)

摘要/Abstract

摘要：

有机太阳能电池(OSCs)因具有制备工艺简单、材料来源广泛、柔性及可以卷对卷生产等优势而逐渐成为光伏领域的研究热点. 在进一步商业化推广的道路上， OSCs也面临着提高光电转换效率(PCE)、规模化生产、降低成本及提高稳定性等诸多挑战. 在探索解决这些问题的研究中，碳点(CDs)因具有成本低、结构多样、绿色环保、来源广泛、导电性高及稳定性好等优点而备受关注. 在OSCs器件中， CDs可以作为电荷传输层和界面修饰层材料使用，通过界面工程改善电池界面处的能级匹配和电荷传输性能，提升OSCs器件的整体性能，为光伏电池的发展提供新的思路，成为推动OSCs发展的关键材料之一. 本文介绍了CDs的概念、分类和独特的结构特征，综合评述了其优异的可调光电特性和功能化改性方法，总结了CDs在OSCs界面工程领域的应用，指出了应用于OSCs领域的CDs基界面材料存在的问题，并对其进一步发展进行了展望.

关键词: 有机太阳能电池, 碳点, 界面工程, 电荷传输, 光电转换

Abstract:

Organic solar cells（OSCs） have gradually become a research focus in the photovoltaic field due to their advantages， such as simple fabrication processes， diverse material sources， flexibility， and roll-to-roll production capability. However， as OSCs move toward further commercialization， they face challenges such as improving power conversion efficiency（PCE）， scaling up production， reducing costs， and enhancing stability. In addressing these issues， carbon dots（CDs） have garnered widespread attention due to their low cost， diverse structures， environmental friendliness， wide availability， high conductivity， and good stability. In OSC devices， CDs can be used as charge transport layers and interface modification materials， improving the energy level matching and charge transport performance at the cell interface through interface engineering， thereby enhancing the overall performance of OSCs and providing new insights for the development of photovoltaic cells. In this review， the concept， classification， and unique structural features of CDs are introduced. Then， the excellent tunable optoelectronic properties and functionalization modification methods of CDs are highlighted. Furthermore， the application of CDs in the field of interface engineering of OSCs is comprehensively summarized， and finally the challenges associated with CDs-based interface materials in OSCs， along with prospects for their further development， are addressed.

Key words: Organic solar cell, Carbon dots, Interface engineering, Charge transfer, Photoelectric conversion

中图分类号:

O649

TrendMD:

王欣, 王宇, 穆富茂, 闫翎鹏, 王振国, 杨永珍. 碳点在有机太阳能电池界面工程中的应用与展望. 高等学校化学学报, 2025, 46(6): 20240416.

WANG Xin, WANG Yu, MU Fumao, YAN Lingpeng, WANG Zhenguo, YANG Yongzhen. Applications and Prospects of Carbon Dots in Interface Engineering of Organic Solar Cells. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(6): 20240416.

图/表 10

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Functionalization method	Type	Property regulation	Advantage	Problem	Application scope
Doping	Non⁃metallic atoms doping	Conductivity， energy structure， QY， hydrophilicity/hydrophobicity， chemical stability	Improved fluorescence performance， improved electrical performance， enhanced stability， expansion of application areas， convenient preparation method	Blending uniformity problem， control of blending concentration， defects in blending introduction， expensive price of rare metals， difficult to accurately control the doping amount and doping position of heteroatoms	Optoelectronic devices， photocatalysis， sensing， electrocatalysis， drug delivery
	Metal atoms doping	Conductivity， energy structure， charge transfer capability， QY， active site density
	Co⁃doping	Luminescence properties， absorption spectra， conductivity， carrier mobility， stability
Surface modification	Covalent modification	Luminescence performance， surface property， multi functionality， che⁃mical stability	Improved fluorescence performance， improved stability and solubility， regulation of surface charge and polarity	Uniformity and stability of modification， complexity of modification process， problem of scale preparation	Optoelectronic devices， fluorescent probes and fluorescent imaging， bioimaging and biosensors， drug delivery
Surface modification	Non covalent modification	Optical/electrical property regulation， stability， solubility and dispersibility

Functionalization method	Type	Property regulation	Advantage	Problem	Application scope
Doping	Non⁃metallic atoms doping	Conductivity， energy structure， QY， hydrophilicity/hydrophobicity， chemical stability	Improved fluorescence performance， improved electrical performance， enhanced stability， expansion of application areas， convenient preparation method	Blending uniformity problem， control of blending concentration， defects in blending introduction， expensive price of rare metals， difficult to accurately control the doping amount and doping position of heteroatoms	Optoelectronic devices， photocatalysis， sensing， electrocatalysis， drug delivery
	Metal atoms doping	Conductivity， energy structure， charge transfer capability， QY， active site density
	Co⁃doping	Luminescence properties， absorption spectra， conductivity， carrier mobility， stability
Surface modification	Covalent modification	Luminescence performance， surface property， multi functionality， che⁃mical stability	Improved fluorescence performance， improved stability and solubility， regulation of surface charge and polarity	Uniformity and stability of modification， complexity of modification process， problem of scale preparation	Optoelectronic devices， fluorescent probes and fluorescent imaging， bioimaging and biosensors， drug delivery
Surface modification	Non covalent modification	Optical/electrical property regulation， stability， solubility and dispersibility

Application	Device structure	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）	Ref.
ETL	ITO/PEDOT∶PSS/PCDTBT∶PC₇₁BM/GQDs⁃TMA/Al	0.91	10.84	71.11	7.01	［72］
	ITO/PEDOT∶PSS /PTB7⁃Th∶PC₇₁BM/C⁃CQDs/Al	0.79	16.23	64.00	8.23	［52］
	ITO/PEDOT∶PSS/PCDTBT∶PC₇₁BM/GQDs⁃NI/Al	0.93	10.98	73.39	7.49	［73］
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	ITO/CDs/PM6∶BTP⁃eC9/MoO₃/Al	0.841	26.88	76.73	17.35	［53］
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	ITO/GQDs/PTB7⁃Th∶PC₇₁BM/LiF/Al	0.75	15.20	69.00	7.91	［70］
	ITO/GQDs/PTB7⁃Th∶PC₇₁BM/LiF/Al	0.89	10.65	67.00	6.30	［70］

Application	Device structure	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）	Ref.
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	ITO/GQDs/PTB7⁃Th∶PC₇₁BM/LiF/Al	0.75	15.20	69.00	7.91	［70］
	ITO/GQDs/PTB7⁃Th∶PC₇₁BM/LiF/Al	0.89	10.65	67.00	6.30	［70］

Application	Device structure	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	F（%）	PCE（%）	Ref.
ETL	ITO/ZnO/CDs/PTB7∶PC₇₁BM/MoO₃/Al	0.75	17.59	68.27	9.01	［77］
	ITO/AZO/CDs/PTB7∶PC₇₁BM/MoO₃/Al	0.75	17.65	69.50	9.20
	ITO/AZO/CDs/PTB7⁃Th∶PC₇₁BM/MoO₃/Al	0.80	18.12	70.64	10.24
	ITO/TiO₂∶CQDs/PCDTBT∶PC₇₁BM/MoO₃/Ag	0.85	15.02	57.36	7.33	［78］
	ITO/ZnO∶N，S⁃CQDs/PTB7⁃Th∶PC₇₁BM/MoO₃/Al	0.80	17.20	68.00	9.36	［79］
	ITO/ZnO∶N⁃CQDs/PTB7⁃Th∶PC₇₁BM/MoO₃/Al	0.80	16.91	67.00	9.06	［79］
	ITO/PEI： CQDs/PTB7⁃Th∶PC₇₁BM/M⁃PEDOT∶PSS/PEI∶CQDs/ PTB7⁃Th∶PC₇₁BM/MoO₃/Ag	1.58	11.48	66.80	12.13	［80］
	ITO/ZnO/CNDs/PTB7⁃Th∶PC₇₁BM/MoO₃/Ag	0.78	16.6	72.1	9.4	［81］
	ITO/ZnO/CQDs/PTB7∶PC₇₁BM/MoO₃/Al	0.75	19.60	66.4	9.64	［75］
	ITO/ZnO/CQDs/P3HT∶PCBM/MoO₃/Al	0.57	13.30	64.2	4.85	［75］
	ITO/CD@ZnO/PM6∶IT⁃4F/MoO₃/Al	0.83	20.75	71.01	12.23	［74］
	ITO/PEI@CQDs/PTB7⁃Th∶PC₇₁BM/MoO₃/Ag	0.78	17.75	68.30	9.47	［82］
	ITO/ZnO/Ae⁃GQDs⁃Os/PTB7∶PC₇₁BM/MoO₃/Al	0.71	16.29	52.00	5.98	［76］
HTL	ITO/PEDOT∶PSS+CDs⁃N/PM6∶Y6/PDINO/Ag	0.841	27.03	72.7	16.5	［56］
HTL	ITO/ZnO/P3HT∶PC₆₁BM/EDOT∶PSS+CDs/Ag	0.60	12.00	53.25	3.90	［83］

碳点在有机太阳能电池界面工程中的应用与展望

Applications and Prospects of Carbon Dots in Interface Engineering of Organic Solar Cells

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