聚合物太阳能电池作为一种新型太阳能电池, 具有质量轻、成本低、易于大面积制备等突出优势, 在学术界和工业界引起了广泛关注. 近年来, 聚合物太阳能电池能量转换效率提高迅速, 单结器件效率值已超过17%. 在器件优化中, 构建高效阴极有机修饰层成为提高光伏器件效率与稳定性的重要策略之一. 芳香亚胺类阴极修饰材料因具有大共轭平面、优异的电子传输性能、丰富的化学修饰位点以及合适的能级等特点近年来备受关注. 北京化工大学材料科学与工程学院张志国教授介绍了阴极修饰层材料的功能, 总结和评述了苝酰亚胺和萘酰亚胺类阴极修饰材料的研究进展, 最后结合实际应用的要求展望了这类材料的未来发展趋势与前景.
开发新型清洁且可再生的能源是21世纪学术界与工业界共同面临的主要挑战之一. 聚合物太阳能电池(polymer solar cells, PSCs)作为一种新型光电转换技术, 具有制作成本低、质量轻、可采用低温溶液加工和易于大面积制备等优点, 以及可制成柔性或半透明器件的独特优势, 在功能上与硅基等无机半导体太阳能电池有很强的互补性, 因此受到科学界的广泛关注. 1995年, Yu和Heeger等基于聚合物给体和富勒烯受体共混薄膜, 报道了一种共混异质结太阳能电池, 实现了激子的高效解离, 开启了聚合物太阳能电池研究的大门. 近年来, 得益于新型非富勒烯受体材料的出现和器件制备工艺上的不断优化, 有关聚合物太阳能电池的研究进展迅速, 最高光电转换效率记录不断被刷新. 目前有关聚合物太阳能电池的研究主要围绕以下方面: 新型活性层材料的设计与合成、器件结构与制备工艺的优化、活性层与电极间的界面工程等. 目前, 单结聚合物太阳能电池的光电转换效率已超过17%, 其中界面修饰层的研究在提升PSCs的效率和稳定性方面起到了重要的作用. 本文详细汇总了近年来芳香亚胺类阴极修饰层材料在PSCs中的研究进展, 并且对相关的研究进行了评述, 最后展望了这类材料的未来发展前景.
用于聚合物太阳能电池的芳香亚胺类阴极修饰材料及其研究进展
在近10年里, 芳香亚胺类阴极界面修饰材料发展迅速, 在提升聚合物太阳能电池能量转换效率和稳定性上都起到了重要的作用. 中国科研工作者在推动这类材料的发展与创新方面, 作出了一系列有特色的研究工作. 随着人们对这类材料结构与性能关系认识的不断深入, 更多高性能阴极修饰材料不断被研发出来, 而且相关研究已经开始向大面积印刷器件制备靠拢, 在材料方面为未来的有机光伏产业化提供了良好的支撑. 本文总结了芳香亚胺类阴极界面修饰材料的研究进展, 结合未来的阴极修饰层在实际应用中的需要, 今后可在以下4个方面做进一步的深入研究.
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目前芳香亚胺有机小分子界面修饰材料因为合成简单且成本较低成为研究的热点. 从化学结构上看, 侧链的多功能化和芳香稠环的共平面性是提高这类材料性能的研究重点. 而且有研究表明阴极修饰层能够担当“电子受体”的角色, 提高激子的解离效率, 这也是未来进一步提高器件性能的一条有效途径. 此外, 基于该类材料构建有机-无机复合阴极界面体系, 克服自身在导电和吸收上的缺陷, 也是实现光伏器件柔性功能的一个重要研究方向.
苝酰亚胺类界面修饰层在非富勒烯太阳能电池体系有广阔的应用空间. 目前非富勒烯体系高效体系的获得大多是基于正向器件, 这主要是由于非富勒烯体系中给受体的表面能相差不大, 不像富勒烯体系中存在的富勒烯受体会在衬底附近富集的问题. 因而在正向器件中使用苝酰亚胺类修饰层可以在一定程度上克服其在500nm波长处附近有一定光吸收的缺点. 另外还可以通过调控苝酰亚胺类界面修饰层的折射率, 调节器件中的光场分布, 提高活性层对光的吸收, 以实现更高的器件效率.
阴极修饰材料的化学稳定性与功函调节能力同样是材料开发过程中需要考虑的重要因素. 这就要求研究者在材料的分子设计中采用更为稳定的结构, 来提高材料自身的热分解温度与化学稳定性, 从而改善PSCs器件的整体稳定性. 另外, 还需要进一步提升阴极修饰材料对金属电极功函数的降低能力, 以便选用高功函金属作正向电池器件的顶部电极, 提升器件在空气中的稳定性.
开发能与实际应用相兼容的阴极修饰材料. 除了要求材料能在大面积厚膜的情况下仍然能保持较高的导电性能外, 还要求材料在活性层上的沉积不局限于实验室小面积加工中使用的工艺, 要能够与喷墨打印或者刮涂工艺相兼容. 另外修饰层材料还必须能够降低封装过程中封装胶的渗透对活性层造成的影响.
邹博森, 张铭, 黄晏绮, 姚嘉, 白阳, 薛灵伟, 张志国. 用于聚合物太阳能电池的芳香亚胺类阴极修饰材料及其研究进展，中国科学：化学, 2020, DOI: 10.1360/SSC-2020-0098.
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