Solar RRL:星型两性离子型分子中心核的精细调节:应用于高性能聚合物太阳能电池

为了缓解传统的低功函金属电子传输层(例如钙、钡、镁等)在空气中不稳定的问题,一些n型金属氧化物(氧化锌、二氧化钛等)被用作电子传输层。然而,这些金属氧化物不能与活性层形成良好的接触,这影响了电子的提取并且增大了电池的串联电阻。因此,探索性能优异的有机界面层材料成为有机太阳能电池领域一个重要的研究方向。许多聚合物(PFN、PFN-Br、P3TMAHT等)和小分子(C60-4TPB、N719、PDINO等)缓冲层被相继报道。相较于聚合物界面材料,小分子界面材料具有相对容易的合成、提纯过程,良好的分散性以及批次与批次间的差异较小等更吸引人的优势。

目前,一些研究成果表明非共轭的两性离子型分子能够有效地提高相关活性层体系的能量转换效率。虽然这些电子传输层合成相对简单,但该类电子传输层的普适性缺乏相应了解和报道。同时,这些界面材料的低电导率常常会使得其对自身厚度极为敏感,界面材料通常在超薄厚度(小于10纳米)下才能很好地使得器件工作。因此,设计一些性能优良(高导电性、无吸收、厚度不敏感)、环保的非共轭两性离子小分子界面材料是目前有机太阳能电池研究的前沿和重点。

武汉大学高等研究院闵杰教授课题组和合作者通过精细调节非共轭星形两性离子型小分子的中心核,一步法合成了一系列拥有良好电学性能、稳定性和普适性的小分子电子传输层材料(G-Series),实现了多种聚合物太阳能电池性能的提高。例如,引入G-C2作为电子传输层的PTB7-Th:PC70BM正向结构太阳能电池达到了8.90%的光电转化效率,远高于钙/铝(7.43%)为顶部电极的传统器件。同时,与传统电池相比,基于G-Series的聚合物太阳能电池表现出了更加良好的空气稳定性。此外,G-Series 电子传输层展示出膜厚不敏感特性,这类材料在8-25 nm膜厚变化范围内,相应器件的能量转换效率变化不大。

在此项工作中,不同于主流的电子传输层设计策略(例如,侧链工程;骨架微调;引入氟、氯、氧等杂原子;有机或无机半导体掺杂n型金属氧化物等),研究者展示了一种通过改变中心核来微调界面层使顶部电极功函与受体材料能级更加匹配的新方法和思路。相关结果发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.201900166)上。