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

doi:10.7503/cjcu20240416

Abstract

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

CLC Number:

O649

TrendMD:

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[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(6): 20240416.

Figures/Tables 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］
	ITO/CDs/PM6∶Y6/MoO₃/Al	0.830	24.52	75.89	15.41	［50］
	ITO/CDs/PM6∶BTP⁃eC9/MoO₃/Al	0.841	26.88	76.73	17.35	［53］
HTL	ITO/GQDs/BHJ/LiF/Al	0.52	10.20	66.30	3.51	［69］
	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.
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］
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	ITO/CDs/PM6∶Y6/MoO₃/Al	0.830	24.52	75.89	15.41	［50］
	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）	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］