何凤&夏海平等人AM:基于碳龙配合物制备新型有机太阳能电池界面层材料，效率高达18%以上!

发表时间：2021-06-22 16:31作者：知研光电材料

导语：利用碳龙配合物制备新型有机太阳能电池界面层材料，所得器件的光电转换效率高达18%。

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1.前言

有机太阳能电池（OSCs）在柔性、可印刷和半透明器件中显示了非常可观的应用前景，而光电转换效率（PCE）和稳定性的发展仍然是目前限制OSCs实际工业化生产的重要因素。人们对器件的光伏性能进行了大量探索，其方法主要集中在分子设计、器件结构修饰和活性层的构建上。通过创新的分子设计与合适的给体匹配，Y6及其衍生物开启了一个新的天地，基于非富勒烯OSCs的效率已经突破了18%。除了分子创新之外，界面工程也可以提高器件的性能。

界面工程是指通过在活性层和阴极或阳极之间插入一层或两层中间层来改善间接接触，并进一步调节电极的形貌或功函数，从而改善器件的性能。目前在界面材料中，有以下几种主要类型：金属氧化物（MO），如常用的ZnO和MoOx等；醇溶性聚合物和小分子，如氨基PDINO和PFN-Br等；低功函数金属和金属盐或复合物，如Ca和LiF等；碳基材料如富勒烯、石墨烯及其衍生物等。热蒸发和正交溶剂旋涂是处理这些界面材料最常用的两种方法，由于大多数界面材料是醇溶性小分子和聚合物，溶剂旋涂由于其可印刷性被认为比热蒸发更具成本效益。

2.简介

鉴于以上，近日，南方科技大学何凤教授、夏海平教授以及厦门大学谭元植教授等人研究团队合作利用碳龙配合物和六苯并蒄炔基衍生物为原料，通过高效、特异的反应合成了新型醇溶性金属纳米石墨烯。最终，反应产物的dπ–pπ共轭程度得到大幅度提升，由此形成了一系列新型阴极中间层（CIL）材料：HBC-H、HBC-P、HBC-S。这些以过渡金属为基础的具有纳米石墨烯中心的大金属芳香体系具有增强的载流子输运和优异的分子间相互作用等综合性能。

研究人员进一步将合成的材料应用到基于PM6:BTP-eC9器件中，并研究了不同的CIL材料对光伏性能的影响，结果发现以HBC-S作为CIL材料时，该器件的效率从16%提高到18%以上，主要是由于显著提高的短路电流密度（JSC）为26.51mA cm-2和填充因子（FF）为79.22%。为了研究这些CIL材料的性质，研究人员利用单晶X射线衍射分析、光学测试、循环电化学测试和理论计算等手段对这些新型CIL材料的dπ–pπ共轭体系进行了深入的研究，同时通过形貌表征和电化学阻抗谱对其表面接触进行了表征。研究发现，引入共轭侧链之后形成的大共轭骨架，可以加强分子内电荷转移并提供更有序的分子间电子传输，最终获得了比受体低且更合适的LUMO能级，使其更易于载流子注入。经HBC-S处理后，界面接触良好，形态规整，界面电阻降低，大大阻碍了载流子复合。

3.总结

综上，该工作不仅创新性地利用碳龙衍生物合成了具有高度dπ–pπ共轭体系的新型CIL材料，同时也为下一代高性能OSCs的发展提供了巨大潜力。相关研究成果现已发表在国际权威学术期刊《Advanced Materials》上，题为“Nanographene–Osmapentalyne Complexes as a Cathode Interlayer in Organic Solar Cells Enhance Efficiency over 18%”。

本文关键词：有机太阳能电池，界面工程，电荷传输，碳龙化合物，阴极中间层，界面层材料，HBC-P，HBC-H，HBC-S。

4.文中所涉及相关材料