導語：研究人員利用PEI的介面修飾特性和3,4,9,10-苝四羧酸二酐（PTCDA）的高電子轉移特性，透過簡單的一步溶劑熱處理合成了一種新型碳點（CDs），並將其作為陰極介面層材料用於有機太陽能電池中，最高效率17.35%。北化工譚佔鰲團隊ACS AMI:新型碳點用作高效能有機太陽能電池陰極中間層
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c23494
1.前言回顧
有機太陽能電池（OSCs）具有重量輕、溶液可加工、適於製作柔性或半透明器件等固有優勢，目前已經取得了重大進展。隨著各種新型活性材料和器件改進的發展，單結OSCs的光電轉換效率（PCE）屢創新高。除了給受體材料外，新型電子傳輸層（ETLs）材料的研究和開發對於提高OSCs的PCE和穩定性也起著至關重要的作用。通常，ETLs材料應與活性層形成良好的歐姆接觸，以便於電荷收集；具有適當的能級和電子遷移率，以提高激子分離效率和電荷傳輸；在可見光區域顯示低吸收，不影響活性層的光吸收，並具有良好的成膜效能。到目前為止，已經報道了各種ETLs材料，包括有機小分子材料、富勒烯衍生物材料、有機聚合物材料和金屬氧化物材料等。
聚乙烯亞胺（PEI）作為一種絕緣聚合物，由於其在降低底層電極的功函式（WF）方面的優勢，可以用做富勒烯OSCs的陰極介面修飾層。得益於較強的光致發光、易於調節的發光顏色和良好的電子導電性，碳點（CDs）現已廣泛用於高效能發光二極體（LED）。由於它們溶液可加工，並且具有優異的光電效能，因而在OSCs中作為ETLs也是非常有潛力的。首先，CDs大的共軛碳結構可以提供優異的導電性和載流子遷移率，有助於電子的快速提取和收集。其次，CDs邊緣的大量活性基團有助於調節能級，使其能很好地溶解在溶劑中，從而適用於旋塗加工。最後，與金屬氧化物等無機ETLs材料相比，作為有機材料的CDs表現出更好的相容性，因而可以獲得更好的歐姆接觸。
圖1.新型CDs的合成、結構與表徵
2.文獻簡介
基於上述的因素，近日，北京化工大學譚佔鰲教授研究團隊充分利用PEI的介面修飾特性和3,4,9,10-苝四羧酸二酐（PTCDA）的高電子轉移特性，透過簡單的一步溶劑熱處理合成了一種新型CDs。結果顯示，所製備的CDs具有高達3.22×10–4 cm2 v–1 s–1的高電子遷移速率，並且由於CDs的大π共軛面積，可以將ITO的WF降低0.75 eV。此外，CDs邊緣上適量的氨基和羥基可確保其在水中溶解良好，並在用作ETL材料時具有良好的成膜效能。正因如此，與倒置器件結構中常用的金屬氧化物ETLs材料（如SnO2）相比，作為有機材料的CDs相容性更高，並且與頂部活性層表現出更好的歐姆接觸。
圖2.相關光電性質比較
更重要的是，基於新型CDs的ETLs並不需要高溫退火操作，因而非常適用於大規模製備柔性OSCs。研究發現，作為陰極中間層的CDs可以獲得更好的載流子提取和傳輸能力，與基於單純的PEI和PTCDA相比具備更優越的光伏效能。在此情況下，基於PM6:BTP-eC9的i-OSCs器件實現了高達17.35%的PCE。同時，所獲得的器件穩定性也非常優異，在超過4000小時後PCE仍基本上保持在初始值。這些資料表明，所開發的CDs在新型ETLs方面的巨大應用潛力。
圖3.相關器件效能測試
3.文獻總結
綜上，這項工作為開發有效、低成本和環境友好型的ETLs材料提供了新的見解，有利於研發更高效能的OSCs。相關研究成果現已發表在國際知名學術期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，題為“Revival of Insulating Polyethylenimine by Creatively Carbonizing with Perylene into Highly Crystallized Carbon Dots as the Cathode Interlayer for High-Performance Organic Solar Cells”。
本文關鍵詞：有機太陽能電池，電子傳輸層，陰極中間層，介面工程，碳點。
4.材料推薦
PM6：1832013-83-7
BTP-eC9：2598965-39-8
Y6：2304444-49-1
PC71BM：609771-63-3
