新批次上新丨PFN系列热门阴极界面层材料

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有机太阳能电池（OSCs）凭借其价格低廉、可溶液加工、柔性高和便于大面积印刷生产等优点，近年来受到了科学家们的广泛青睐。目前，OSCs的光电转换效率（PCE）已经突破了18%。在OSCs的组成结构中，界面层材料能够起到调节活性层与电极间能垒的作用，使其与界面形成欧姆接触，提高电荷传输减少界面处电荷复合。此外，它还具有增强活性层的光吸收，改变活性层的形貌和提高器件稳定性等作用，极大的促进了电池效率的提高。

图1:有机太阳能电池的结构与特点

目前，OSCs的界面层材料主要分为阳极界面层（AIL）材料与阴极层界面（CIL）材料。AIL材料的主要作用是增强活性层与ITO玻璃之间的接触，有利于空穴传输。常见的AIL材料有导电聚合物材料，氧化石墨烯材料，可溶液加工的金属氧化物材料等。其中，绿色环保的水溶性导电聚合物PEDOT:PSS由于其较高的可见光透过率和导电性受到了广泛应用。而CIL材料的主要作用是助力电子传输，阻挡空穴等，主要类型包括有机小分子材料、有机聚合物材料、低功函金属及金属盐材料、富勒烯衍生物材料等。这其中，聚芴类CIL材料合成简单，电子传输能力优异，对于制备高性能OSCs具有重要意义。

图2:四种不同聚芴类分子结构

早在2004年，华南理工大学曹镛院士课题组就设计合成了一系列新型水溶/醇溶性聚芴类共轭聚合物分子：P1（PFN），P2（PFN-Br），P3，P4（PFQ-Br），并将它们作为电子传输层应用在有机发光二极管中最终取得了良好的成效^[1]。在此之后，2012年，华南理工大学吴宏滨教授课题组利用PFN作为CIL材料，所制备的正置OSCs器件的PCE高达8.24%。此外，基于PTB7:PC₇₁BM的倒置器件性能可以提升至9.21%。研究结果显示：PFN可以将ITO的功函数从4.7 eV降低至4.1 eV，有助于光生电子被ITO收集并导出，从而提高器件效率^[2]。

图3:PFN与PFN-Br作为界面层材料应用于相关OSCs器件

同年，美国阿克伦大学巩雄教授课题组与华南理工大学黄飞教授课题组合作报道了将PFN的衍生物PFN-Br作为阴极界面材料应用于OSCs之中，结果显示基于PBDT-DTNT:PC₇₁BM的器件的PCE达到了8.4%^[3]。2019年，中科院化学研究所许博为副研究员课题组仔细探究了PFN和PFN-Br作为CIL材料时在基于富勒烯（PBDB-T-2F:PC₇₁BM）和非富勒烯（PBDB-T-2F:IT-4F）OSCs器件中的不同工作机制^[4]。研究结果表明，采用PFN作为CIL材料可以提高基于富勒烯OSCs的效率，PFN与PC₇₁BM之间的掺杂效应对器件性能的影响很小。相反，对于非富勒烯OSCs，研究人员发现PFN的三级胺会与IT-4F受体分子相互掺杂，导致IT-4F运输电子性能较差和电荷积累不良，无疑阻碍了电子收集过程，降低了最终器件的短路电流密度（J_SC）和填充因子（FF）。然而，由于溴离子的弱给电子性，用PFN-Br取代PFN可以消除上述不利影响。最终，基于PBDB-T-2F:IT-4F的器件获得了高达13.5%的PCE，开路电压（V_OC）为0.87 V，J_SC为20.4 mA cm^-2，FF为0.76。

图4:PNDIT-F3N-Br与相关给受体分子结构

此外，PNDIT-F3N-Br也是常用的一种聚芴类CIL材料。2017年，华南理工大学黄飞教授、应磊研究员课题组将PNDIT-F3N-Br作为CIL材料，研究了基于所合成的新型受体分子IDT-N和IDT-T-N与两种具有代表性的聚合物给体PTB7-Th和PBDB-T配对所制备的OSCs器件性能。结果显示，基于PBDB-T:IDT-N器件的PCE高达9.0%，J_SC为15.88 mA cm^-2，FF为71.91%^[5]。2020年，武汉大学闵杰研究员课题组将不同浓度的铱（Ir）络合物（0，0.5，1，2.5和5 mol%）引入到PM6的共轭主链中，最终制备了一系列新型共轭聚合物给体（PM6-Ir0.5、PM6-Ir1、PM6-Ir2.5和PM6-Ir5）。研究发现，该方法可以合理地修饰聚合物给体的分子聚集，有效地控制相应的混合物形态和物理机制，最终提高光伏性能。在PNDIT-F3N-Br的协助下，基于PM6‐Ir1:Y6（1:1.2，w/w）的最佳器件获得了高达17.32%的PCE，认证值为16.70%，远高于基于PM6:Y6的器件（15.39%）^[5]。

随着对OSCs的深入研究，目前OSCs的发展已经取得了极大的进步，然而要实现其商业化的大规模生产，界面层材料必须满足环境友好，溶解性好的要求。整体而言，开发载流子迁移率高、制备工艺相对简单、形貌良好和价格低廉的界面层材料是当前及今后的主要研究方向之一。

参考文献：

[1] Chem. Mater. 2004, 16, 708-716.

[2] Nature Photon. 2012, 6, 591-595.

[3] Energy Environ. Sci. 2012, 5, 8208-8214.

[4] J. Energy Chem. 2020, 43, 40-46.

[5] J. Mater. Chem. A 2017, 5, 23926-23936.

[6] Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2000590.

文献地址：

[1] https://doi.org/10.1021/cm034650o

[2] https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.190

[3] https://doi.org/10.1039/C2EE22296E

[4] https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.08.005

[5] https://doi.org/10.1039/C7TA06631G

[6] https://doi.org/10.1002/adma.201103006

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