界面偶极如何影响有机与钙钛矿太阳电池的能带结构与性能

李永舫

1中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室，北京分子科学国家研究中心，北京 100190

2苏州大学材料与化学化工学部，先进光电材料实验室，江苏 苏州 215123

界面偶极对器件界面能带结构的调控机理。

界面能带结构是指界面处电子能带的弯曲和倾斜。它能显著影响载流子的产生、注入、分离、传输、复合和收集等过程，是半导体光电子器件性能的重要影响因素。因此，优化界面能带结构、调控器件性能与工作机理是光电子器件领域的核心课题之一。如果将一组相距很近的正负点电荷肩并肩排列所组成的偶极层插入器件界面，电势能穿过偶极层时会发生突变，将能有效调控界面能带结构和载流子运动过程。

过去十年间，界面偶极层被广泛应用于有机和卤化物钙钛矿等新型太阳电池中。2011年何志才等人报道，在传统结构有机太阳电池的活性层和顶电极之间插入一层很薄的电子传输层材料poly[(9,9-bis(3'-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)] (PFN)，能够同时提高开路电压、短路电流密度和填充因子，打破了此前开路电压和短路电流密度相互制约的瓶颈，获得了当时领域内最高的效率～8.37%1。研究表明，PFN电子传输层具有很强的偶极矩，其正电荷端指向负极而负电荷端指向活性层，不仅可以有效降低电子传输势垒并提高空穴传输势垒，而且电偶极矩与内建电场叠加可以提升器件内部电场，促进载流子的有效分离和选择性传输。随后，他们在反式结构有机太阳电池的底电极和活性层之间插入PFN薄层电子传输层，进一步将效率提高至～9.2%2。相关工作促进了有机太阳电池能量转换效率的提升，引起了对界面调控研究的重视。

有机太阳电池领域积累的丰富的界面修饰层材料同样被应用到了钙钛矿太阳能电池中。其中，针对钙钛矿特征化学结构的界面调控方法备受关注。例如，针对钙钛矿表面大量的未饱和Pb2+缺陷，将末端为三个二乙基胺的富勒烯衍生物(PCBB-3N)碘离子化(PCBB-3N-3I)之后，I-与Pb2+之间的静电相互作用不仅可以钝化钙钛矿表面未饱和Pb2+缺陷，而且能诱导富勒烯择优取向形成界面偶极层，从而优化界面能带结构，显著提升了器件性能3。

虽然界面偶极在推动有机和钙钛矿太阳电池的发展中效果显著，但是界面偶极的来源和作用机理尚存争议，限制其进一步优化设计和广泛应用。例如，界面偶极层所使用的特定溶剂，也能与活性层之间发生化学相互作用，产生显著的偶极矩4；活性层和顶电极之间插入偶极矩相反的两种界面偶极层，却可以实现相同的载流子选择性传输效果1,5；基于超薄绝缘材料的界面偶极层，对于载流子的选择性传输机理同样可以归因于隧穿接触6等等。

为此，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陈立桅研究员课题组分析了有机和钙钛矿太阳能电池中各种界面层的偶极方向和强度，并进一步总结了界面偶极对器件光伏性能的影响7。首先，他们从偶极层的基本物理概念出发，描述了其静电场物理特征。其次，他们对比了各种界面偶极表征技术，并强调了原位、工况表征技术的优势。接着，他们按照器件结构将界面偶极材料体系进行分类，综述了各种界面层的偶极方向和强度对器件性能的重要影响。最后对未来的研究进行了展望，建议将界面偶极的原位、工况测量结果和器件数值模拟进行更好的结合，建立界面性质和能带结构与器件工作机理之间关系的全面理解。未来研究还可以更进一步探索在静电场模型之上，界面偶极材料的分子细节与化学性质对器件性能和寿命的影响。

上述论文近期以展望的形式在Journalofthe AmericanChemicalSociety上在线发表7。该文章不仅阐明了界面偶极的来源和作用机理，而且为界面偶极的进一步优化提供了重要的思路。