新型电极界面材料提升聚合物太阳电池效率

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聚合物太阳电池(PSCs)因材料来源广、性质易调节、可实现柔性、大面积、低成本、全溶液加工等突出优点,近年来已经成为国际上的热点研究领域。PSCs由活性层和两侧的阴、阳电极组成。电极与活性层的界面性质直接影响电荷传输与电荷收集,是决定功率转换效率(PCE)的关键因素,因此活性层/电极界面的界面修饰和界面物理研究对提高PSCs性能具有重要意义。大量的实验结果已经证明好的电极界面层的引入能同时提高器件的短路电流(Jsc)、开路电压(Voc)和填充因子(FF)。通常一个好的电极界面层应该满足:1.在阳极一侧,为了有利于空穴抽出,界面层应该有效地增加阳极的功函数,同时还应该有好的电子阻挡能力;在阴极一侧,为了有利于电子收集,界面层应该有效地降低阴极的功函数,同时有好的空穴阻挡能力;2.好的导电性;3.对太阳光谱有好的光透过性;4.有利于和活性层的接触和界面相容性;5.为了制备可全溶液加工的PSCs,界面材料最好是可溶于醇、水的极性材料,以避免和活性层的相互混合。实际上到目前为止,无论是阳极界面材料还是阴极界面材料,能同时满足上述要求的材料少之又少。因此发展新颖的阳极和阴极界面材料并且通过它们在PSCs中的共同优化以实现高PCE是十分必要的。

针对这一科学问题,吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室和华南理工大学发光材料和器件国家重点实验室合作,通过引入新颖的共轭微孔聚合物膜(CMP膜)为阳极界面层和溶于醇的极性共轭聚合物PFN为阴极界面层,把PTB7:PC71BM为活性层的PSCs的PCE提高到了8.42%。这种新颖的CMP膜是通过电化学聚合的方法形成的。因为这种大表面积的CMP膜提高了与活性层的接触面积并且允许活性层向它部分渗透,所以大大改善了和活性层的界面接触。CMP膜中的咔唑基团拥有电化学氧化还原特性,因此CMP膜的性质能够通过电化学掺杂过程进行控制。作为阳极界面层,掺杂CMP膜优于PEDOT:PSS膜的优点包括:1.固有均匀微孔;2.大的表面积;3.更高功函数;4.更高导电率;5.好的电子阻挡能力。所有这些特点预示着掺杂CMP膜非常有希望成为一个好的阳极界面层。