来源:Nature Communications 发布时间:2020/6/17 10:34:32
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基于“氢键”作用调控界面兼容性制备高性能有机太阳能电池|Nature

论文标题:Cathode engineering with perylene-diimide interlayer enabling over 17% efficiency single-junction organic solar cells

期刊:Nature Communications

作者:Jia Yao, Beibei Qiu et.al

发表时间:2020/06/01

数字识别码:10.1038/s41467-020-16509-w

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近期,北京化工大学张志国教授等与科院化学所李永舫院士Nature Communications 上发表了题为“Cathode engineering with perylene-diimide interlayer enabling over 17% efficiency single-junction organic solar cells” 的研究论文,报道了一种含有氢键作用的苝酰亚胺类材料阴极界面材料(PDINN,分子结构见图1),研究发现通过适当的分子间相互作用进行层间工程是提高OSCs器件性能的可行途径。

图 1. 有机太阳能电池的器件构型以及PDINN的合成路线和氢键作用示意图

有机太阳能电池作为一种新型光电转换技术,具有轻、薄、柔的独特优势,而受到广泛关注。有机太阳能电池由各功能层自下而上层层组装而成(器件结构见图1),因而器件中各功能层之间的物理接触不仅不可避免,其接触状况还会影响到器件的性能。器件制备中,使用阴极界面修饰层可以降低高功函金属的功函来避免使用高活性金属(例如Ca)做电极,从而提高器件的稳定性1-2。但是这些阴极有机界面修饰层通常具有较大的表面能,严重影响到其与活性层材料之间的界面相容性3,进而损害器件效率。因此,如何在阴极界面工程中使用空气稳定的高功函金属提高器件稳定性并且保持高的效器件率,成为有机太阳能电池设计中亟待解决的一个难题。

氢键广泛存在于自然界中,作为最重要的分子间相互作用形式之一,对物质的性质有至关重要的影响。例如,氢键作用使得水在常温下以液态存在、DNA形成双螺旋结构等。鉴于此,北京化工大学张志国教授等与科院化学所李永舫院士合作设计合成了一种含有氢键作用的苝酰亚胺类材料阴极界面材料(PDINN,分子结构见图1),发现该修饰层材料能够利用分子间氢键作用,克服活性层与界面层材料之间因表面能差异而造成的界面兼容性差的难题。与此同时,PDINN能够通过增加界面偶极矩有效降低空气稳定阴极金属(Cu和Ag)功函,从而巧妙地调和了界面工程中器件稳定性和效率之间的矛盾。基于PDINN/Ag电极的光伏器件获得了 17.23%的光电转换效率(认证效率16.8 %,美国可再生能源实验室),该结果是目前单结聚合物太阳能电池的最高光电转换效率之一。考虑到该修饰层与羰基、亚胺、卤素这些活性层材料设计上常常用的基团都能够形成氢键作用,从而有利于提高该修饰层在不同活性层材料上的广泛适用性,这一设想也在不同的材料体系上得到验证。值得注意的是,PDINN可以通过商业化原料通过简单的化学反应一步得到,具有宏量制备的突出优点。该项研究为调控界面兼容性制备高性能光伏器件提供了新的思路。

摘要:In organic solar cells (OSCs), cathode interfacial materials are generally designed with highly polar groups to increase the capability of lowering the work function of cathode. However, the strong polar group could result in a high surface energy and poor physical contact at the active layer surface, posing a challenge for interlayer engineering to address the trade-off between device stability and efficiency. Herein, we report a hydrogen-bonding interfacial material, aliphatic amine-functionalized perylene-diimide (PDINN), which simultaneously down-shifts the work function of the air stable cathodes (silver and copper), and maintains good interfacial contact with the active layer. The OSCs based on PDINN engineered silver-cathode demonstrate a high power conversion efficiency of 17.23% (certified value 16.77% by NREL) and high stability. Our results indicate that PDINN is an effective cathode interfacial material and interlayer engineering via suitable intermolecular interactions is a feasible approach to improve device performance of OSCs.

(来源:科学网)

 
 
 
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