Метанол развернул молекулы межслоя: КПД органической ячейки 20,65%

Ячейка с активным слоем из D18 и L8-BO прошла независимую сертификацию: 20,65% КПД при коэффициенте заполнения 82,7%. Статью об этом 20 октября опубликовала Nature Energy. Среди авторов Цзя Яо, Жуй Чжан, Мин Чжан и Тунхуэй Ван, они работают в Пекинском химико-технологическом университете, Институте химии Китайской академии наук, Университете Линчёпинга, Сучжоуском и Цзилиньском университетах. Замер для сертификата выполнил National Center of Inspection on Solar Photovoltaic Products Quality, китайский центр контроля качества солнечных фотоэлектрических изделий.

Прибавку дала не замена материалов, а тонкий слой между поглощающей плёнкой и серебряным катодом, около 11 нанометров. Катодные межслои на основе перилендиимидов (PDI) создают на границе диполи и помогают электронам уходить из активного слоя. Величина диполя зависит от того, как ароматическое ядро молекулы стоит относительно подложки. Управлять этой ориентацией до сих пор получалось плохо: прежние приёмы рассчитаны на жёсткие гладкие поверхности, а поверхность активного слоя мягкая и химически неоднородная.

Авторы разбили нанесение на два шага. Сначала активный слой обработали метанолом (30 мкл, центрифугирование при 3000 об/мин), потом нанесли раствор PDI в 2,2,2-трифторэтаноле (1,0 мг/мл, 3000 об/мин, 30 с). Трифторэтанол выбрали не случайно: у него есть гидрофобная трифторметильная группа и гидрофильный гидроксил, поэтому он удерживает в растворе молекулы, у которых есть и полярные, и неполярные части. Метанол с поверхности не исчезает полностью. Инфракрасная спектроскопия показала полосы поглощения O-H при 3370 см⁻¹ и C-O при 1033 см⁻¹, характерные для адсорбированных кластеров метанола. Устройства сохраняли эффективность, даже если раствор PDI наносили через 30 минут после обработки.

Остаточный метанол работает как шаблон. Его молекулы полярны, поэтому цепляются прежде всего за полярные аминные боковые цепи PDI и подталкивают ароматические ядра вставать почти вертикально, аминными группами наружу. Спектроскопия суммарной частоты, снятая на полной стопке слоёв, показала преимущественно перпендикулярную ориентацию молекул межслоя после метанольной обработки. По данным спектроскопии ближней тонкой структуры рентгеновского поглощения, средний угол ориентации молекул составил 74,54° при обычном нанесении, 78,38° после промывки готового межслоя метанолом и 85,01° при двухстадийном методе. Молекулярная динамика дала ту же картину: метанол на поверхности разворачивает молекулы PDISNN перпендикулярно и выводит аминные цепи из плоскости.

Что меняет вертикальная посадка

Дальше решает геометрия контакта. Когда ядра стоят торчком, аминные группы оказываются на внешней стороне межслоя и упираются прямо в серебро. Работа выхода чистого серебра 4,28 эВ, это выше квазиуровня Ферми электронов в акцепторе, поэтому на границе возникает барьер Шоттки и часть напряжения теряется. Квантово-химический расчёт показывает: аминные боковые цепи снижают работу выхода серебра с 4,28 до 3,11 эВ, а сами ароматические ядра на неё почти не влияют. Поверхностный потенциал плёнки после двухстадийной обработки выше: 233 мВ против 192 мВ у обычного метода. Работа выхода активного слоя падает с 4,26 до 4,17 эВ. Встроенный потенциал устройства растёт примерно с 0,65 до 0,82 В, последовательное сопротивление падает со 158,6 до 29,6 Ом. Барьер ниже, заряд на границе накапливается слабее, рекомбинация через ловушки меньше, а напряжение холостого хода и коэффициент заполнения выше.

Представим условный слой из одинаковых брусков, у каждого на торце металлическая накладка. Пока бруски лежат плашмя и вразнобой, накладки смотрят в стороны, и к электроду обращена лишь часть. Поставим бруски на торец, и накладки окажутся наверху все сразу. Аналогия передаёт только геометрию: выигрыш даёт не плотность механического прижима, а сдвиг работы выхода и более сильное встроенное поле.

Лучшее устройство собрали на паре D18:L8-BO: 20,72% в лаборатории при коэффициенте заполнения 82,89%, сертифицированные 20,65% и 82,7%. Метод проверили ещё на нескольких активных слоях (PM6:BTP-eC9, PM6:Y6, PM6:PY-IT, PM6:L8-BO) и на разных материалах межслоя, везде получили прибавку. Ячейка площадью 1 см² дала 19,20%. В тесте на стойкость устройство с новым межслоем держало 80% начального КПД 984 часа против 330 часов у контрольного.

У результата есть границы. Сертифицирован один бинарный образец на D18:L8-BO, основная часть измерений сделана на малой площади 0,0256 см², а результат в 1 см² приведён в единственном числе. Испытание на долговечность шло с герметизированными ячейками под светодиодной лампой (100 мВт/см², 410-850 нм, около 25 °C, на воздухе). Это не многолетняя работа под открытым небом. Углы ориентации получены из модели по соотношению интенсивностей сигнала суммарной частоты, погрешность авторы оценивают в 1,2-1,9°. Часть спектров снимали не на том же активном слое, что в лучшем устройстве, а на PM6:Y6. Универсальность заявлена для проверенных сочетаний материалов, а не для всей органической фотовольтаики. Независимо перепроверен только замер КПД.

Работа держится на деталях: концентрация раствора, скорость вращения, порядок обработки, контрольные образцы. По ним опыт и повторяют, и в научных статьях такие подробности занимают не меньше места, чем сами 20,65%.