有机太阳能电池的界面材料研究综述与展望

有机太阳能电池是新一代质量轻、柔性、低成本光伏发电器件,可被广泛用于便携电子产品、穿戴式设备和智能窗口等。作为有机太阳能电池的关键组成部分,电极修饰层以及中间连接层等界面材料,具有精细调控电极与活性层的能级匹配、调节内建电场、确定电极极性并增强电荷收集、控制表面能以改变活性层形貌、引入光学间隔和等离子效应调制活性层的光吸收、增强活性层与电极的界面稳定性等功能特性。因此,界面材料在提升有机太阳能电池效率和稳定性中发挥着重要作用。随着有机光伏受体-给体材料和界面材料的不断创新,以及界面工程策略和器件工艺的快速发展,目前单节和叠层器件的能量转换效率均已突破10%,为有机光伏的产业化应用奠定了坚实基础。

advs中国科学院福建物质结构研究所郑庆东研究员课题组结合研究团队多年来的工作,综述了正置和倒置型单节及叠层有机太阳能电池的各类界面层材料,系统阐述了这一研究领域的最新进展。该论文首先对一系列重要的电子或空穴传输界面材料作了分类探讨,包括无机金属氧化物、有机聚合物和小分子、金属和金属盐以及金属配合物、碳基材料、有机-无机杂化/复合材料和其他新兴材料,研究了它们充当阴极或阳极界面层在有机太阳能电池中的应用。接着,以这些电子和空穴传输材料为构筑单元,对叠层器件的中间连接层界面材料进行了分类和阐述,并总结它们的功能特性以及与相邻子电池的关系。通过分析各类界面材料结构和性能的关系,以及它们与有机光伏活性材料和电极材料的能级匹配、界面相容等问题,提出了实现高性能单节及叠层有机太阳能电池的界面材料设计策略。通过考察不同结构及形态下界面材料的性质,如能带隙、功函数、光学透过率、载流子迁移率、表面能等,关联界面材料的设计与选择、界面材料的加工方法、界面材料的结构与性质对器件性能的影响因素与机制,为高性能有机光伏界面材料及器件的设计提供了思路。最后,该综述对有机光伏界面材料与器件领域的瓶颈问题进行了探讨,并对未来研究方向和发展趋势进行了展望。该工作将帮助研究人员了解这一新兴领域面临的挑战和机遇,加深国内外同行对有机光伏界面科学的认识,同时也对未来高性能有机光伏器件的研发和利用具有重要指导意义。相关论文在线发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201500362)上。

该工作得到了国家自然科学基金和中科院青年创新促进会的资助。