近期，极化材料与器件教育部重点实验室保秦烨课题组利用光电子能谱原位表征技术(UPS/IPES/XPS)研究软物质半导体界面电子结构与器件性能之间的构效关系，指导构建高效光伏器件。成果分别以“Enhanced and Balanced Charge Transport Boosting Ternary Solar Cells over 17%”与“Energetics and Energy Loss in 2D Ruddlesden-Popper Perovskite Solar Cells”为题发表在Advanced Materials (影响因子：27.3)和Advanced Energy Materials(影响因子：25.2)上。金沙为论文的第一单位，我院研究生李丹琴、杨坚铭(2019年校长奖学金获得者)分别为第一作者，保秦烨为论文的唯一通讯作者。
有机光伏电池(Organic solar cells)因具有柔韧性好、重量轻、易加工等优点受到广泛关注。近年来，受益于非富勒烯受体的发展，功率转换效率得到大幅度提高。与此同时，三元(Ternary)结构器件既保留了传统二元器件简单易操作的制备方式，又具有能够扩展活性层光吸收范围、优化形貌等特点，是获得高效率的重要途径。课题组利用紫外光电子能谱(UPS)原位表征技术，结合整数电荷转移ICT(Integer Charge Transfer)模型解析了有机半导体PM6:DRTB-T-C4:Y6三元异质结界面精细电子结构特性。研究发现PM6的EICT+和Y6的EICT-均是4.50 eV，虽然PM6:Y6界面ICT态重叠且电势差为零，其界面仍存在少量的基态整数电荷转移，从而促进激子分离，减小界面库仑力对光生载流子的束缚。第三组分DRTB-T-C4的EICT+ (4.65 eV)大于Y6的EICT-，DRTB-T-C4:Y6界面不存在基态电荷转移，进一步避免了ICT态陷阱辅助复合的发生。在此基础上，结合精密光谱，深入分析了PM6:DRTB-T-C4:Y6活性层的光电转换动力学。最终指导构建了填充因子(fill factor)为0.813的有机光伏电池，这是当前三元有机光伏电池的最高值(Advanced Materials 2020, 32, 2002344)。
有机-无机杂化钙钛矿光伏电池(Perovskite Solar Cells)因光电性能优异、制备工艺简单备受关注。当前钙钛矿器件的研究主要集中在结晶、取向调控等方面，以制备高质量的钙钛矿薄膜，但是对钙钛矿界面电子结构缺乏足够认识。界面电子结构失配导致的电荷输运受阻、电势损失等问题是器件非辐射复合损失的重要来源，这无疑是实现高效率器件的瓶颈。鉴于此，课题组利用光电子能谱原位表征技术(UPS/IPES/XPS)，系统分析了维度调控下的(PEA)2(MA)n-1PbnI3n+1(n = 1, 3, 5, 40, ∞)钙钛矿与电子传输层PCBM界面电子结构与器件能量损失之间的构效关系，提出了Ruddlesden-Popper相钙钛矿界面电子结构模型。研究发现，有别于纯二维和三维钙钛矿(n = 1，∞)与PCBM界面形成的传统p-n型异质结，准二维钙钛矿(n = 3, 5, 40)与PCBM界面形成了n-n结，从本质上减少了界面处的空穴浓度，抑制界面复合。N-n结的形成归因于钙钛矿表面分布的多余PEAI配体产生界面偶极，以及电荷再分布，降低了准二维钙钛矿表面的功函数，该界面电势梯度能够促进光生载流子从钙钛矿晶格传输到钙钛矿与PCBM界面。在空间上，表面配体分隔了富电子区(PCBM)和富空穴区(钙钛矿)，使电子与空穴复合机率进一步降低。通过界面物性分析与器件性能相结合，本身结晶性较弱的n = 5准二维钙钛矿光伏电池因具有更加匹配的界面电子结构，表现出最小的开路电压损失，进一步验证了该界面工作机制。该工作对器件界面电荷传输与能量损失机制提供了深入的理解(Advanced Energy Materials, 2020, 10, 2000687, 封面文章)。
上述工作得到金沙公共创新服务平台-物质表征中心的支持。在平台的支持下，保秦烨发展了面向软物质半导体的光电子能谱表征技术，设计、搭建了光电子能谱超高真空互联系统(10-11 mbar), 该系统具有角分辨紫外光电子能谱(ARUPS)、反向光电子能谱(IPES，国内首套)、X-射线光电子能谱(XPS)、以及原位制样(In-situ sampling)等核心功能，实现了对表面与界面的原位、准确、精密的测量。
图文：保秦烨课题组
编辑：袁会敏