ACS AMI：用于聚合物太阳电池界面修饰的双S,S-二氧苯并噻吩宽带隙聚合物

来源：X一MOL资讯

英文原题：Molecular Engineering on Bis(benzothiophene-S,S-dioxide)-Based Large-Band Gap Polymers for Interfacial Modifications in Polymer Solar Cells

通讯作者：何志才，华南理工大学；张斌，华南理工大学

作者：Guiting Chen, Gaoheng Qian, Shuwang Yi, Zhicai He,* Hong-Bin Wu, Wei Yang, Bin Zhang,* Yong Cao

本体异质结聚合物太阳电池具有质轻、成本低、柔性等优点，是一种很有潜力的光电转换技术。近年来，通过化学、物理等领域的科研工作者在活性层、界面和器件工程方面的不懈努力，聚合物太阳电池的光电转换效率已经超过了17%，实用前景日益光明。

电极界面修饰对聚合物太阳电池的性能提高具有至关重要的作用。化学稳定性较好的高功函数阴极（如铝、银、铟锡氧化物ITO）会降低器件的内建电场强度，不能获得最佳的开路电压和能量转换效率。研究发现，水/醇溶性共轭聚合物可在活性层/阴极界面处建立定向界面偶极，从而降低阴极功函数，最终提高器件的内建电场强度和开路电压。另外，它们还可以通过n型掺杂受体材料等机理改善界面性质，因此是一类高效的阴极界面修饰材料。

华南理工大学张斌课题组前期开发了一类新型的基于双S,S-二氧苯并噻吩的大环化单元，此类单元表现出优良的光电特性（New J. Chem., 2015, 39, 6513-6521.）。通过这类新型单元的引入，可以获得高效的蓝色电致发光材料（J. Mater. Chem. C, 2020, DOI: 10.1039/C9TC05019A）。另外，这类单元具有优异的电子传输性能和合适的能级结构。因此，通过将这类单元和具有优良阴极修饰性能的氨基结合，设计合成出一类新型的醇溶性共轭聚合物PBSON-P和PBSON-FEO（图1）。

图1. 醇溶性共轭聚合物的化学结构式

这类聚合物表现出优秀的阴极修饰作用，并且被成功应用于正置和倒置型聚合物太阳电池中（图2），显著改善了器件性能（图3）。特别地，此类聚合物可以替代ZnO层，直接应用于倒置器件中。研究人员利用三维扫描开尔文探针显微镜测试了不同ITO电极的功函数，发现通过聚合物修饰的ITO阴极，其功函数从4.85 eV下降到4.65 eV和4.58 eV（图4），从而有效改善器件的开路电压。这类阴极修饰聚合物较大的共轭平面和较高的电子亲和性使它们具有良好的电子传输能力，可显著改善聚合物太阳电池器件的电子传输性能。通过测试ITO/ZnO/PTB7-Th:PC71BM/CIL/Al单电子器件发现，引入阴极修饰层（CIL）后，电子迁移率可以从9.03×10-4 cm2 V-1 s-1提高到9.44×10-4和1.11×10-3 cm2 V-1 s-1。另外，这类聚合物较深的HOMO能级可在阴极界面形成有效的空穴阻挡层，从而增加器件的填充因子。由于这类聚合物具有较宽的带隙（2.79 eV和2.72 eV），因此在倒置器件中基本不会影响活性层的光吸收，是一类正置和倒置型电池通用的阴极界面修饰聚合物。

图2. 正置器件：（a）器件结构，（c）能级图；倒置器件：（b）器件结构，（d）能级图

图3. 正置器件：（a）电流-电压特性曲线，（b）外量子效率曲线，（c）暗电流-电压特性曲线；倒置器件：（d）电流-电压特性曲线，（e）外量子效率曲线，（f）暗电流-电压特性曲线

图4. 不同基片的功函数：（a）ITO，（b）ITO/PBSON-P，（c）ITO/PBSON-FEO

该研究成果以Supplementary Cover的形式发表于近期的ACS Appl. Mater. Interfaces 期刊上，华南理工大学的陈桂庭博士和钱高恒为共同第一作者，何志才和张斌为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室开放基金的资助。