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【综述】桂林电子科技大学蔡平和华南理工大学薛启帆AFM:溶液加工的厚度不敏感阴极中间层在高效有机太阳能电池的研究进展

X-MOL资讯  · 公众号  ·  · 2025-01-17 08:09

正文


第一作者:蔡平
通讯作者:蔡平、王剑斌、薛启帆
单位:桂林电子科技大学、华南理工大学等

有机太阳能电池 (OSC)在柔性/可穿戴电子产品、室内光伏等领域显示出巨大的应用潜力,单结OSC的效率已超过19%,使OSC的商业化前景更加光明。大面积印刷制造是OSC商业化的关键途径,而大面积印刷制造迫切需要溶液加工的厚度不敏感 阴极界面层 (CIL)。阴极界面材料(CIM)的高电子迁移率对于实现厚度不敏感CIL至关重要。N型自掺特性可赋予有机CIM高电子迁移率。不同类型的n型自掺CIM在正置OSC和倒置OSC中表现出不同的适用性。外部n型掺杂剂可以进一步提高杂化共混物的电子迁移率。特别是,掺有有机染料的ZnO可以在倒置OSC中实现优异的光电导性。本综述重点关注 用于高性能OSC的溶液加工型厚度不敏感CIL。 在正置OSC中,总结了作为厚度不敏感CIL的n型自掺小分子和聚合物以及外部n型掺杂的混合物。在倒置OSC中,总结了n型自掺小分子电解质和聚电解质、基于PEI/PEIE的聚电解质以及外部n型掺杂的混合物(包括有机-有机和ZnO-有机),用于厚度不敏感CIL。强调了CIL的特定功能与CIM的化学结构之间的关系。最后,对溶液加工的厚度不敏感CIL进行了总结和展望。

文章综述了用于高性能OSCs的厚度不敏感的CILs,特别是溶液加工的CILs。重点介绍了不同类型的n型自掺杂小分子和聚合物,以及外部n型掺杂的混合物在正置和倒置OSCs中的应用。
图1. a) OSCs的正置结构和倒置结构。b) OSCs商业化的主要研究领域和关键因素,以及由国家可再生能源实验室(NREL)记录的最佳研究电池效率。c) OSCs的大面积印刷技术(经许可转载,版权2021,Springer Nature)。d) 大面积印刷条件下薄膜厚度大变化的示意图。

文章详细讨论了CILs在OSCs中的功能和作用,包括改善能级对齐和电子提取、确定器件极性和增加电子传输、增强光吸收和提高器件稳定性。还总结了不同类型的CIMs的化学结构及其在OSCs中的应用效果。

1. 有机太阳能电池中阴极界面层的功能和作用

改善能级匹配和电子提取: 阴极界面层(CILs)有助于对齐电极和活性层之间的能级,减少能量障碍,增强电子传输和提取,从而提高器件效率和稳定性。

确定器件极性和增加电子传输: CILs通过其位置和能级确定器件的极性,促进高效的电荷传输并减少接触电阻。

增强光吸收: CILs作为光学间隔层,调节器件内的光场,确保活性层最大限度地吸收光子,从而增加短路电流密度。

提高器件稳定性: CILs抑制金属原子从阴极扩散,防止水和氧气侵蚀,并增强抗紫外线能力,从而提高器件的整体稳定性和寿命。

2. 正置有机太阳能电池中厚度不敏感的阴极界面层

图2. 常规OSCs中PDI/NDI基n型自掺杂小分子的化学结构

图3. 常规OSCs中其它n型自掺杂小分子的化学结构

图4. 常规OSCs中n型自掺杂高分子的化学结构

3. 倒置有机太阳能电池中的厚度不敏感阴极界面层

图5. 倒置OSCs中n型自掺杂电解质及PEI/PEIE基聚电解质的化学结构

图6. 倒置OSCs中外部n型掺杂的混合物(包括有机-有机和ZnO-有机)部分有机材料的化学结构

总结和展望

当前在开发溶液处理的厚度不敏感阴极界面层(CILs)方面取得了显著进展,这对于有机太阳能电池(OSCs)的商业化至关重要。在实现一致性能、与可扩展制造工艺的兼容性以及增强大面积OSCs的耐久性方面仍然存在挑战。未来的研究应集中于提高CILs的电子迁移率和厚度容忍度,以及开发新材料和制造技术。


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