有机光伏电池（OPV）的能量转换效率（PCE）已经突破15%，显示出良好的应用前景。目前，OPV活性层材料发展迅速，相关的光电转换机制也得到深入研究。
相比之下，电极界面层的发展相对落后。在光伏器件的制备过程中，由于缺少对界面层修饰机理的认识和理解，需要耗费大量时间对各种界面层材料进行筛选，以获得最佳的器件性能。
因此，深入研究电极界面层的工作机理，对于发展新的材料设计方法和提高OPV光伏性能具有重要意义。
The doping on IT-4F by the amino group of PFN leads to the unfavorable charge accumulation, and hence, forms a dense layer of electronegative molecule due to the poor electron transport capacity of the non-fullerene acceptor IT-4F. The electronegative molecular layer can block the electron transfer from the active layer to the interlayer and cause series charge recombination at the active layer/cathode interface.
近期，中国科学院化学研究所许博为研究团队采用PFN及其衍生物PFN-Br作为负极界面层制备了高效率的OPV器件，阐明了PFN和PFN-Br在修饰富勒烯型和非富勒烯型OPV器件中的不同工作机制，对于构筑高效率的非富勒烯OPV提出了新的器件设计策略。
该论文“Significant influence of doping effect on photovoltaic performance of efficient fullerene-free polymer solar cells” 发表在Journal of Energy Chemistry期刊上。
PFN和PFN-Br修饰非富勒烯型OPV（PBDB-T-2F:IT-4F）的器件性能表征
PFN-Br与PFN用于制备富勒烯型OPV，器件的光伏参数相似，表明PFN-Br和PFN界面层在富勒烯型OPV中都能很好地工作。然而，使用PFN作为负极界面层的非富勒烯型OPV器件表现出明显的“S形”J-V曲线，器件的填充因子仅为0.48。
进一步的器件研究表明，PFN界面层强烈抑制了负极的电荷收集效率，导致严重的电荷复合。同时，采用PFN-Br代替PFN用于负极修饰，能够大幅度改善负极的电子提取和传输性能，从而使界面处的电荷复合问题得到解决，器件光伏效率显着提升至13.5％。
PFN和PFN-Br在非富勒烯OPV体系（PBDB-T-2F:IT-4F）中的器件激子解离效率和光强度的相关性表征
基于PFN-Br的非富勒烯型OPV激子解离效率为91.9％，远高于PFN器件（73.0％）。在电流对光强相关性测试中，α系数值分别确定为0.996和0. 731；在电压对光强相关性测试中，斜率分别为1.19和1.75。
实验数据表明，陷阱辅助电荷复合机制在PFN修饰的非富勒烯型OPV中占主导地位，而双分子电荷复合是PFN-Br器件中的主要复合机制。以上结果表明，PFN界面层对于加剧非富勒烯器件电荷复合起到关键作用，是导致负极电荷收集效率降低的主要原因。
PFN、PFN-Br、PCBM和IT-4F的两两混合物的ESR表征
暗态下，对于PFN-Br和PFN没有观察到电子顺磁共振（ESR）信号，说明界面层材料不具有自掺杂作用。但是，所有的界面层/受体混合样品都显示出明显的ESR信号，说明在混合物中存在未配对的电子。其中，PFN:IT-4F混合物表现出特别显着的ESR信号，可以归因于PFN氨基到IT-4F的分子间电子转移。
基于以上实验数据，作者阐明了PFN和PFN-Br影响富勒烯型和非富勒烯型OPV性能的工作机制：在PFN修饰负极的情况下，由于具有球形共轭结构的PC71BM分子可以接受四个以上的电子，因此掺杂后仍然能够在PC71BM/PFN界面处接收更多电子并将其有效地转移到负极。然而，平面型IT-4F只能接受一个电子，在单电子掺杂后会产生致密的电子积累层，阻碍了电子进一步从活性层转移到负极，因而极大地降低了负极对电子的收集效率。在PFN-Br修饰的情况下，由于PFN-Br季铵盐的溴负离子给电子能力较弱，与受体IT-4F之间仅存在微弱的电子转移作用，因此不会形成电子积累层。同时，PFN-Br可以形成界面偶极，有助于在电极/ PFN-Br界面处形成欧姆接触，从而促进负极对电荷的提取。
综上所述，该工作考察了PFN和PFN-Br在OPV器件中的不同修饰效果，深入研究了PFN和PFN-Br的工作机理，阐明了掺杂作用对于修饰富勒烯型和非富勒烯型OPV的不同影响，为筛选合适的界面层材料用于构建高效率OPV提供了新的设计策略。
文章信息
J Energy Chem
Significant influence of doping effect on photovoltaic performance of efficient fullerene-free polymer solar cells
Qian Kang, Qi Wang, Cunbin An, Chang He, Bowei Xu*, Jianhui Hou
Journal of Energy Chemistry, 43, 40-46 ()
DOI: 10.1016/j.jechem..08.005
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中国科学院化学研究所侯剑辉研究员 许博为副研究员：界面掺杂作用对有机光伏电池性能的影响
