ACS AMI | 醌型两性离子：打破溶剂正交限制的两亲性阴极界面修饰材料

英文原题：Quinonoid Zwitterion: an Amphiphilic Cathode Interlayer with Initial Thickness-Insensitive and Self-Organizing Properties for Inverted Polymer Solar Cells

通讯作者：刘晓东，电子科技大学；郑永豪，电子科技大学

作者：Yiwei Lin, Xiaoyu Li, Xiaodong Liu, Li Liu, Wenxiang Wang, Ze Wang, Yingjie Liao, Xinyu Tang and Yonghao Zheng

聚合物太阳能电池（PSCs）由于具有材料种类丰富、可溶液加工以及可制备柔性大面积器件等潜在优势，吸引了人们广泛的关注。近年来，PSCs的功率转换效率（PCE）已经突破16%，其中，界面修饰层作为PSCs中不可或缺的一环可以有效调节电极的功函数，促进电子和空穴的传输，从而提高电池的性能。然而，在PSCs的制备过程中（以倒置型结构为例），界面修饰层与光活性层间通常需要遵守严格的溶剂正交性，以保护阴极界面修饰层在旋涂活性层时不被破坏，这限制了阴极界面修饰材料的选择范围。

近期，电子科技大学郑永豪教授（点击查看介绍）团队合成一种真正意义上的共轭内盐分子，命名为ZW-Bu。这一材料有以下优点：1）合成简单，只需简单的一步反应即可获得（图1a），而且反应原料便宜，容易提纯；2）拥有大的本征偶极和半金属特性，可以有效调节电极的功函数并且有着出色的导电性；3）两亲性分子，在极性溶剂（甲醇）和非极性溶剂（邻二氯苯）中都具有良好的溶解性。考虑到邻二氯苯是活性层材料的常用溶剂，因此ZW-Bu作为阴极界面修饰层（CBL），与活性层之间并不具备溶剂正交性；4）ZW-Bu上的NH基团可以与ITO上的氧离子形成氢键作用（图1b）。这一特性使得ZW-BuCBL不会被旋涂活性层时所使用的邻二氯苯完全清洗干净，使得ZW-Bu在不遵守溶剂正交的情况下依然可以作为有效的CBL。此外，得益于这一部分清洗，ZW-Bu薄膜的初始厚度可以在不牺牲器件效率的情况下进行大范围的改变。

图1.（a）ZW-Bu分子的合成路线；（b）ZW-Bu分子在ITO表面的组装示意图。

研究人员首先将ZW-BuCBL应用于经典的P3HT:PC₆₁BM体系，制备器件结构为ITO/ZW-Bu/P3HT:PC₆₁BM/MoO₃/Ag的PSCs，相应的电流密度-电压（J-V）特性曲线如图2所示。相比于没有CBL和传统ZnO作为CBL的器件，采用ZW-BuCBL的器件具有更加优异的光伏性能，PCE从2.82%（没有CBL）和3.51%（ZnO CBL）提升至3.92%。值得一提的是当把ZW-BuCBL的初始厚度增加到181 nm时，器件效率依然能够达到3.65%（图3），体现了出色的初始厚度不敏感性。进一步将ZW-BuCBL应用于PTB7-Th:PC₇₁BM和PTB7-Th:ITIC体系，观察到了类似的现象，相应的器件效率分别为9.03%和7.63%，说明ZW-BuCBL在富勒烯和非富勒烯的高效体系中同样可以发挥作用。

图2. (a) 没有CBL以及采用ZnO和ZW-Bu作为CBL的P3HT:PC₆₁BM基PSCs的J-V特性曲线。(b) 相应器件的EQE光谱。

图3. 随着ZW-Bu初始厚度的增加，采用ZW-BuCBL的器件性能参数（a）J_sc、V_oc 和（b）FF、PCE的变化趋势。

相比于传统逐层沉积的方法，自组装形成界面修饰层的方法（即将界面材料加入活性层溶液中，在随后的旋涂过程中，界面材料自发地移动到混合薄膜的上表面或下表面）由于简化了器件制备工艺，备受推崇。由于ZW-Bu溶于邻二氯苯，并且相比于给受体材料，具有更大的表面能（图4a），因此将ZW-Bu掺入活性层溶液后，在三元混合薄膜形成过程中，ZW-Bu很有可能自发地移动到ITO表面，然后通过氢键作用在ITO衬底上自组装成CBL（图4b）。基于此设想，研究人员制备了器件结构为ITO/P3HT:PC₆₁BM:ZW-Bu/MoO₃/Ag的PSCs，获得了3.92%的PCE（图4c和4d），与传统逐层沉积法制备的器件效率相同，证明ZW-Bu可以作为自组装的CBL。该项工作为设计初始厚度不敏感且具有自组装特性的阴极界面修饰材料提供了新的策略：1）两亲性两性离子；2）与ITO衬底形成氢键作用；3）高的表面能。

图4. (a) 所用材料的表面能。(b) 逐层沉积以及自组装法制备ZW-Bu/P3HT:PC₆₁BM双层的流程示意图。(c) 自组装法制备的P3HT:PC₆₁BM基PSCs的J-V 特性曲线。(d) 相应器件的EQE光谱。

这一成果近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，文章的第一作者是电子科技大学硕士研究生林奕玮和四川大学测试中心李晓瑜老师，通讯作者为电子科技大学刘晓东副教授和郑永豪教授。该研究成果得到了国家自然科学基金委的资助。

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Quinonoid Zwitterion: An Amphiphilic Cathode Interlayer with Initial Thickness-Insensitive and Self-Organizing Properties for Inverted Polymer Solar Cells

Yiwei Lin, Xiaoyu Li, Xiaodong Liu, Li Liu, Wenxiang Wang, Ze Wang, Yingjie Liao, Xinyu Tang, Yonghao Zheng

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b17208

Publication Date: December 24, 2019

Copyright © 2019 American Chemical Society

研究团队简介

刘晓东博士，电子科技大学光电科学与工程学院副教授，硕士研究生导师。本科和博士均毕业于北京交通大学，博士导师为徐叙瑢院士，博士期间前往美国密歇根大学安娜堡分校联合培养两年。2013年博士毕业后，加入到苏州大学李永舫院士课题组做博士后，于2016年出站。随后，来到电子科技大学光电科学与工程学院工作，于2019年晋升为副教授。主要从事有机光电器件方面的研究，如有机/钙钛矿太阳能电池、有机光电探测器等，在器件制备和器件物理方面有着丰富的研究经验和成果。目前，以第一/通讯作者在J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Power Sources, J. Mater. Chem. C, Appl. Phys. Lett. 等期刊上发表SCI论文16篇。

https://www.x-mol.com/university/faculty/73399

郑永豪博士，电子科技大学光电科学与工程学院教授，博士研究生导师，副院长。2011年于英国杜伦大学取得博士学位，2011年至2016年先后在美国加州大学圣芭芭拉分校（合作导师：Fred Wudl教授）和美国莱斯大学（合作导师：James M. Tour教授）做博士后，2016年11月起就职于电子科技大学，成立了前沿材料探索实验室。团队目前已有副教授2名，讲师1名、博士后若干、本科生及研究生20多名。团队的主要工作集中在稳定自由基分子、刺激响应材料和光电探测器的研究。郑永豪教授主要从事自由基材料和有机共轭材料的设计与合成以及相关器件的研究，在相关领域取得了丰硕的成果。在Science、Advanced Materials、Angewandte Chemie、Journal of the American Chemical Society 等期刊发表论文40余篇。

郑永豪

https://www.x-mol.com/university/faculty/73337

课题组网站

http://www.fmdl.uestc.edu.cn/

（本稿件来自ACS Publications）