有机太阳能电池中，界面间机械接触的紧密程度会对其电接触产生很大的影响，电接触控制着有机光伏电池的电荷收集概率，从而影响电池的功率转换效率。
近日重庆大学的柔性可再生能源材料与器件(La FREMD) 团队联合中科院重庆研究院的陆仕荣团队和韩国国立蔚山科学技术院的Chungduk Yang团队，通过引入氯铂酸对PEDOT:PSS 进行掺杂并应用于PM6:Y6高效OPV体系中，利用铂原子与给体材料的相互作用，在界面处形成了类似分子锁的紧密机械接触。
该方法提高了给体材料在靠近界面处的堆积和有序性，陷阱辅助复合得到抑制，载流子寿命提高了一倍以上，实现了77%的填充因子和16.5%的光电转换效率。相关成果发表在《ACS Applied Materials &Interfaces》 (DOI：10.1021/acsami.0c06759)。博士生杨可和陈姗姗博士为共同第一作者，重庆大学的孙宽研究员和中国科学院重庆绿色智能技术研究院的陆仕荣研究员、肖泽云研究员为共同通讯作者。
该团队曾报道过向PEDOT:PSS (PH1000)中加入一定量的氯铂酸能够提高其功函数和电导率 (Adv. Electron. Mater.2017, 3, 1700047)。但是当对氯铂酸的掺杂量在器件中进行优化后发现在PEDOT:PSS (4083)中，最优掺杂浓度仅为之前工作的十分之一，在此掺杂浓度下，薄膜电导率的提升微乎其微，在器件中也没有观察到开路电压的提高，并且器件效率的提升仅发生在活性层进行了热退火的样品中。
作者根据前期一篇界面工作中观察到的现象(ACS Appl. Mater. Interfaces,10, 39962-39969)，推测掺杂后可能会对界面处的相互接触产生影响，对PEDOT:PSS薄膜在掺杂前后的表面能进行了测试，结果没有发现明显的变化，数值上仅从70mNm-1提高到了71 mN m-1。而当使用胶带进行粘附性测试时却意外的发现在未掺杂的样品中，活性层很容易被胶带剥离，但是在氯铂酸掺杂后的样品中，活性层的胶带剥离则变得十分困难（图1）。这样的结果说明光活性层与氯铂酸掺杂后的界面之间存在较强的结合力。
为了进一步确认这种界面作用力的存在以及明确作用力主要来自于混合膜中的给体还是受体，作者对制备好的PM6:Y6混合膜以及PM6和Y6的纯膜样品使用氯仿进行浸泡和冲洗，并进行了接触角和吸收测试。如图2所示，氯仿清洗后，在未掺杂样品中，没有观察到明显的接触角变化和吸收信号，而在氯铂酸掺杂后的样品中则观察到了显著的PM6残留。
为了排除清洗程度的影响，作者还对清洗后的样品进行了氯仿浴超声清洗。如图3所示，即使经过长达8小时的氯仿超声，依然能观察到明显的PM6吸收特征，接触角也没有明显变化。这个结果证明了在界面处的确存在着一种较强的相互作用力。FTIR和XPS的表征结果证明，该相互作用主要来自于PM6中羰基与铂离子的配位。
那么这样的相互作用是如何对器件表现产生影响的呢，作者通过改变GIWAXS的掠入射倾角，对活性层不同深度范围内的堆积情况进行了测试。如图4所示，掠入射角在0.08°/0.12°/0.15°处变化，提供了分子垂直分布和堆积结构的信息。在0.08°的掠入射角下，也就是在活性层的表面，无论是PEDOT还是CPA-PEDOT样品，都表现出明显的Y6特征。在0.12°（临界角）的掠入射倾角下，PEDOT和CPA-PEDOT样品的散射强度都有明显的增强。特别是基于CPA-PEDOT的样本显示出更高的强度和可分辨的PM6特征。在0.15°的较大掠射角下，也就是在光活性层的底部，CPA-PEDOT中~0.9Å -1处的散射信号更为明显（图中红色箭头所示）。值得注意的是，~0.9 Å -1附近的峰主要是由PM6聚合物给体引起的，这意味着在CPA-PEDOT附近有着分布更密集堆积更有序的PM6，这些特性有利于垂直电荷输运，这是提高CPA-PEDOT电池载流子寿命和减少陷阱辅助复合的关键因素。
为了验证和推广这种作用，作者还对P3HT和PBDB-T-SF两种给体材料体系进行了相同的测试，发现在缺少BDT羰基的P3HT中并没有表现出类似的效果，而在有相同BDT羰基的PBDB-T-SF中则能观察到类似的效率提升。
该工作开发了一种简单可行的方法，在OPVs中形成PM6给体与HTL之间的分子锁。这种分子间的相互作用导致了PM6在HTL附近的良好垂直分布及有序堆积，从而抑制了陷阱辅助复合，延长了载流子寿命。这种增强界面不仅提高了光伏电池的性能，而且对柔性或可伸缩的OPV器件也将有很大的帮助。
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