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化学所侯剑辉AM：PCE 20.29%！FF 81.19%！高效稳定有机太阳能电池

发表时间：2025-09-02 11:42

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主要内容

在有机太阳能电池（OSCs）领域，重掺杂对于缩小耗尽区宽度以实现高效电荷传输起着关键作用。然而，目前深入阐明其潜在机制的系统性研究仍较为匮乏。为攻克这一难题，福州大学廖庆教授、林梅金研究员和中国科学院化学研究所侯剑辉研究员带领团队展开深入研究。他们通过创新的互掺杂途径，精心设计了两种聚多巴胺 - 多金属氧酸盐复合材料，即PDA - PMA和PDA - PMA(N)。

团队研究发现，PDA - PMA可借助H₃[P(Mo₃O₁₀)₄]（PMA）引发多巴胺的氧化聚合反应，实现超高掺杂密度（1.17 × 10²³ cm⁻³）。在此过程中，电子转移同步诱导了聚多巴胺（PDA）的p型掺杂和多金属氧酸盐（PMA）的n型掺杂。值得注意的是，当用氨对PDA - PMA进行中和处理后，会得到PDA - PMA(N)。该材料通过结构重排驱动的有机掺杂，维持了更高的掺杂密度（3.74 × 10²³ cm⁻³）。

团队运用X射线光电子能谱（XPS）/电子顺磁共振（ESR）技术开展研究，结果显示这两种材料的掺杂途径截然不同：PDA - PMA呈现有机/无机双掺杂模式，而PDA - PMA(N)则以有机掺杂为主导。这种深度掺杂效果显著，将耗尽区宽度从未掺杂对照样品（PDA和PMA的混合物）的44.42 nm大幅压缩至0.052 nm（PDA - PMA(N)），其性能优于聚(3,4 - 乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)（PEDOT:PSS，0.238 nm），成功实现了无势垒的空穴传输。所谓无势垒空穴传输，得益于深度掺杂改变了界面特性，使空穴传输更顺畅，类似量子隧穿（微观粒子在能量低于势垒高度时，仍有一定概率穿越势垒的现象）辅助下的高效传输。

基于上述研究成果，团队将PDA - PMA和PDA - PMA(N)应用于基于PBDB - TF:BTP - eC9的有机太阳能电池作为空穴传输层，分别实现了20.02%和20.29%的**光电转换效率。此外，中和后的PDA - PMA(N)通过有效抑制界面腐蚀，展现出更优的稳定性，在光照1800小时后，光电转换效率保留率仍高达86.2%。

总体而言，团队提出了一种结构导向、互掺杂的工程策略，通过在空穴传输层（HTLs）中进行重掺杂，显著缩小耗尽区宽度，以制造高效有机太阳能电池（OSCs）。具体而言，在多巴胺聚合过程中，创新性地利用多金属氧酸盐（PMA）同时作为氧化剂和掺杂剂，电子转移过程同步生成p型掺杂的聚多巴胺（PDA）和n型掺杂的PMA，进而开发出互掺杂的PDA - PMA复合材料。尤为关键的是，后续用氨中和处理得到的PDA - PMA(N)，不仅消除了腐蚀性酸度，还引发结构重排，使有机掺杂密度提升至前所未有的3.74 × 10²³ cm⁻³，比PEDOT:PSS高两个数量级。

**的XPS/ESR分析揭示了不同的掺杂途径：PDA - PMA呈现有机/无机双掺杂，而PDA - PMA(N)通过去质子化诱导的醌式结构增强，转变为以有机掺杂为主的模式。这种超重掺杂将界面耗尽区宽度压缩至0.052 nm（PEDOT:PSS为0.238 nm），实现了量子隧穿辅助的无势垒空穴传输。因此，基于PBDB - TF:BTP - eC9的有机太阳能电池实现了创纪录的20.29%的效率（填充因子FF：81.19%），超越了使用PEDOT:PSS的对照电池（19.10%）。中性pH值进一步确保了其**的稳定性，在氮气氛围下600小时后光电转换效率保留率为90.3%，连续光照1800小时后保留率为86.2%，从而解决了传统酸性空穴传输层固有的关键降解难题。

本研究阐明了定制掺杂机制如何调控界面电动力学特性，为同时优化空穴传输层的导电性、能级匹配性和环境耐受性提供了一种通用策略，有力推动了有机太阳能电池的商业化进程。