北师大李翠红、薄志山/青大刘亚辉、刘玉强AFM：兼具膜厚不敏感和稳定性的阴极界面层实现二元有机太阳能电池效率达到19.5%以上

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-21 07:50

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有机太阳能电池的结构包括电极、界面层和活性层,在活性层和电极之间引入界面层是降低界面势垒,提高电荷分离和收集效率的有效方法，因此界面层材料对于实现有机太阳能电池优异的光伏性能和器件稳定性至关重要。其中，阴极界面层主要作用是助力电子传输，阻挡空穴等，然而，目前很少阴极界面材料可以同时满足如低成本、高效率、对薄膜厚度不敏感和良好的稳定性等条件。为了应对这一挑战，北京师范大学李翠红教授、薄志山教授与青岛大学刘亚辉教授、刘玉强教授设计并合成了一种新型PDI衍生物P-C3T作为阴极界面层，基于D18:L8-BO的器件实现了19.52%的优异的光电转换效率(PCE)、在手套箱中放置5000 h后仍能保持初始效率的96%。且该材料在膜厚为40nm时仍能够保持初始效率的95% 。该工作以题为“19.5%-Efficiency Organic Solar Cells with High Thickness Tolerance and Exceptional Device Stability Enabled by TEMPO-Functionalized Perylene Diimide as a Cathode Interface Layer”的论文发表在最新一期《 Advanced Functional Materials 》上。

图1 基于 P-C3T 作为阴极界面层

图2 P-C3T 的合成路线及部分材料的化学结构

作者通过简单的步骤合成了成本低廉的阴极界面材料 P-C3T ，收率在90%以上。研究发现，P-C3T不仅具备良好的电导率，其本身含有的季铵盐能够产生界面偶极，显著降低银电极功函，从而提高活性层与阴极的欧姆接触。基于D18:L8-BO的器件实现了19.52%的光电转换效率，器件放置手套箱中5000 h后效率保留了初始效率的96%，光照300 h后效率仍保持在初始效率的80%。此外，在不同活性层器件中，发现P-C3T作为界面层时，器件效率都显示出不同程度的提高，说明该界面层具备良好的普适性。