聚合物太陽能電池陰極界面修飾材料研究進展

袁帥+宋爽

摘 要：聚合物太陽能電池的技術(shù)經(jīng)歷了三十多年的研究，目前在陰極界面修飾層材料方面有了長足發(fā)展，光電轉(zhuǎn)換效率得以不斷提高。同時，有關(guān)其陰極界面修飾材料的作用機理探討也在不斷深入。

關(guān)鍵詞：聚合物太陽能電池；界面修飾；光電轉(zhuǎn)換效率

引言

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，具有儲量大、分布廣、災(zāi)害系數(shù)低等特點，是當(dāng)前新能源開發(fā)利用的重點。光伏太陽能電池作為一種高效的太陽能利用產(chǎn)品，應(yīng)用前景不容小覷。在太陽能電池市場中，目前占主導(dǎo)的是無機硅基太陽能電池。然而有機太陽能電池具有全固態(tài)、光伏性能可調(diào)范圍寬、半透明、可制成柔性器件以及可大面積印刷生產(chǎn)等優(yōu)點，受到了越來越多的關(guān)注。

當(dāng)前，圍繞聚合物太陽能電池的熱點研究方向之一，即是通過改良界面修飾層減小電荷分離/收集的障礙以形成歐姆接觸提升光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。本文總結(jié)了最近幾年不同結(jié)構(gòu)的陰極界面修飾材料以及作用機制的最新研究進展。

1 聚合物太陽能電池陰極界面修飾材料

目前，已報道的聚合物太陽能電池陰極界面修飾材料，主要包括：非共軛有機陰極界面修飾材料和π共軛有機陰極界面修飾材料。

一方面，非共軛有機陰極界面修飾材料包括：由美國佐治亞理工大學(xué)的Bernard Kippelen課題組發(fā)現(xiàn)的飽和胺類聚合物[1]；由哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究院的鄧先予課題組獲得的氨基酸多肽[2]；由中國科學(xué)院寧波材料研究所葛子義課題組報道的季銨磺酸鹽兩性離子[3]。

另一方面，π共軛有機陰極界面修飾材料包括：由四川大學(xué)彭強課題組設(shè)計合成的基于芴的共軛小分子[4]；由中國科學(xué)院化學(xué)所王吉政課題組報道的 酰亞胺衍生物[5]；馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校Todd Emrick課題組獲得的萘酰亞胺衍生物等[6]。

2 界面修飾層的工作機制

目前，針對界面修飾材料在界面層發(fā)揮作用的機理較為通用的解釋是：極性的界面修飾材料分子在電極表面定向排列產(chǎn)生了界面偶極，影響了相鄰的金屬內(nèi)部電荷的分布，從而降低了金屬的費米能級，但是對這一過程的研究一直缺乏有力的實驗證據(jù)。最近，這一困擾已久的問題有了一些突破。

2014年，日本千葉大學(xué)Yasuo Nakayama課題組利用低能紫外光電子譜和光電子產(chǎn)生光譜對有機聚合物太陽能電池活性層與界面層之間的電子傳輸過程進行了深入的研究，提出了態(tài)密度模型。[7]他們發(fā)現(xiàn)在這些有機薄膜的能隙區(qū)域存在微弱的態(tài)密度分布，在活性層與電極之間產(chǎn)生了能帶彎曲，降低了電子或空穴的傳輸能壘。

2015年，日本千葉大學(xué)Hiroyuki Yoshida課題組利用低能逆光電子能譜技術(shù)第一次揭示了電子如何從界面修飾層傳遞到電極表面[8]。他們以銀電極和2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲 啉（BCP，21）修飾層為研究對象，發(fā)現(xiàn)了銀電極與BCP之間強烈的相互作用，使得銀-BCP復(fù)合物的最低未占據(jù)電子軌道（LUMO）與銀的費米能級一致，說明了這一電子傳遞過程是發(fā)生在界面層與電極復(fù)合物所形成的LUMO軌道上的。

3 結(jié)束語

目前，世界有機太陽能技術(shù)在逐步提高，未來有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有望突破15%的大關(guān)。當(dāng)然，實現(xiàn)這一目標(biāo)需要國內(nèi)外有機太陽能電池領(lǐng)域的研究人員一起努力，開發(fā)出性能更優(yōu)秀的活性層材料和界面修飾材料，同時解決電池壽命短和耐久性差的問題，推動有機太陽能電池的領(lǐng)域不斷向前發(fā)展，最終實現(xiàn)商業(yè)化，解決人類所面臨的能源短缺問題，為我們的日常生活需求帶來方便。

參考文獻(xiàn)

[1]Zhou Y H， Hernandez C K， Shim J， et al. A universal method to produce low-work function electrodes for organic electronics[J].Science，2012，336（6079）：327-332.

[2]Nie R M， Li A Y， Deng X Y. Environmentally friendly biomaterials as an interfacial layer for highly efficient and air-stable inverted organic solar cells[J].Journal of Materials Chemistry A，2014， 2（19）：6734-6739.

[3]Ouyang X H， Peng R X， Ai L， et al. Efficient polymer solar cells employing a non-conjugated small-molecule electrolyte[J].Nature Photonics，2015，9（8）：520-524.

[4]Wang Z G， Li Z J， Xu X P， et al. Polymer solar cells exceeding 10% efficiency enabled via a facile star-shaped molecular cathode interlayer with variable counterions[J].Advanced Functional Materials，2016，26（26）：4643-4652.

[5]Zhang， Z G， Qi B Y， Jin Z W， et al. Perylene diimides： a thickness-insensitive cathode interlayer for high performance polymer solar cells[J].Energy & Environmental Science，2014，7（6）：1966-1973.

[6]Liu Y， Page Z A， Russell T P， et al. Finely tuned polymer interlayers enhance solar cell efficiency[J].Angewandte Chemie International Edition， 2015， 54 （39）： 11485-11489.

[7]Nakayama Y， Nguyen T L， Ozawa Y， et al. Complete demonstration of the valence electronic structure inside a practical organic solar cell probed by low energy photoemission[J].Advanced Energy Materials，2014，4（7）：1301354.

[8]Yoshida H. Electron transport in bathocuproine interlayer in organic semiconductor devices[J].The Journal of Physical Chemistry C， 2015， 119 （43）： 24459-24464.

作者簡介：袁帥（1988-），女，湖北武漢，助理工程師，碩士，主要從事光伏發(fā)電技術(shù)研究，工作單位：武漢船用電力推進裝置研究所。