有机太阳能电池凭借其无毒、低成本、轻量化、柔性和可大面积溶液加工等独特优势，被认为是极具发展潜力的下一代光伏技术。其中，无机电极材料与有机半导体吸光活性层之间的界面修饰层可调节电极的功函数、消除界面能量势垒、促进界面处对电荷的选择性提取，对提高光伏电池性能发挥着至关重要的作用。通常为了满足大面积加工技术对薄膜厚度的要求，阴极界面层必须具有优异的电荷传输性能。目前被广泛应用的解决策略是利用自掺杂效应，填充缺陷，提高载流子密度，从而实现良好的电荷传输。 然而，由于掺杂剂与活性层中的受体材料之间也存在电荷转移，这限制了自掺杂策略在不同太阳能电池材料体系中的普适性，以及器件的长期稳定性，因此发展一种可替代的阴极界面修饰策略是该领域所面临的一项重要挑战。 近日，北京化工大学的刘瑶教授和国防科技大学的张江彬副研究员，利用“点击化学”开发了一种新型的以Face-on取向为主的苝酰亚胺阴极界面材料，揭示了分子取向调控策略在提高电荷传输性能和光伏性能方面的应用潜力，并且有效抑制了自掺杂效应，提高了器件稳定性。
目标分子中由三氮唑和烷氧基构成的侧链，相比传统胺基侧链，其给电子能力明显降低，因此基于自掺杂效应的电子顺磁共振信号被明显削弱。相比线性的胺基侧链，三氮唑和烷氧基构成的侧链体积更大，长度更延展，这促使苝酰亚胺类阴极界面材料的分子堆积由典型的“edge-on”取向转变为以“face-on”取向为主。相比于自掺杂策略制备的阴极界面材料，紧密的face-on 分子间堆积可赋予阴极界面材料更好的电荷传输性能。 最终，基于分子取向调控策略制备的目标阴极界面材料，可有效地抑制光伏电池中激子复合，同时提高光伏器件的短路电流和填充因子，基于目标阴极界面材料的三元太阳能电池获得了19.52%的光电转换效率。与此同时，目标阴极界面材料的自掺杂效应得到有效抑制，提高了光伏器件的空气稳定性。该工作为新型高性能阴极界面修饰材料的分子结构设计思路打开了另一扇大门。 论文信息 Dominant Face-On Oriented Perylene-Diimide Interlayers for High-Performance Organic Solar Cells Zhihui Chen, Qi Li, Huijun Tang, Junjie Wen, Yanyi Zhong, Jiangbin Zhang, Kai Han, Yao Liu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202424502
