CCS Chemistry | 配位作用精细调控有机太阳能电池的界面接触

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中国科学院化学研究所林禹泽研究员团队和西安交通大学李桃教授合作，在经典PDINO阴极界面材料中引入三（五氟苯基）硼烷，精细调控了界面层的功函数和能级，实现了更低的接触电阻，有效提升了有机太阳能电池的短路电流和填充因子，实现了最高18.1%（平均17.7%）的高光电转换效率。

优良的活性层-电极界面接触是实现高性能有机太阳能电池的前提条件之一。更好的界面能级匹配和更低的接触电阻利于提升界面处的载流子提取和传输能力，是提升有机太阳能电池效率的重要途径。PDINO（图1a）是一种广泛应用的阴极界面材料，但是其最低未占据轨道（LUMO）能级（-3.7eV）高于大多数高效率体系中的受体的LUMO能级（-3.85~-4.0 eV），形成势垒而阻碍载流子的提取和传输。中国科学院化学研究所林禹泽研究员团队和西安交通大学李桃教授合作，在经典PDINO阴极界面材料中引入三（五氟苯基）硼烷（BCF）形成PDINO-BCF-H2O配合物（图1a），能够降低其LUMO能级、增加界面层的功函，使得界面与活性层能级更匹配。开尔文探针力显微镜（KPFM，图1b-d）和紫外光电子能谱（UPS，图1e,f）的结果证实了BCF的引入将界面功函从3.93 eV（PDINO）增加到4.01 eV（PDINO:BCF），使其更接近高性能受体的LUMO能级。

图1

以PDINO:BCF作为阴极界面制备的有机太阳电池器件（活性层D18:Y6）获得了最高18.1%（平均17.7%）的PCE。与此相比，基于PDINO的对照器件的最高PCE为17.1%。在基于活性层PTB7-Th:PC71BM和PM6:Y6:IDIC的器件中，PDINO:BCF界面同样表现出比PDINO界面更好的性能，说明PDINO:BCF界面对于提升有机太阳能电池效率具有一定普适性。

值得关注的是，2019年Guillermo C. Bazan和Thuc-Quyen Nguyen报道BCF形成BCF-H2O后与含噻吩环的光电材料作用形成Lewis碱加合物，从而对其进行p掺杂，调控其能级（Nat. Mater. 2019, 18, 1327-1334）。然而PDINO，不含噻吩单元，但具有多个可能与BCF作用的N、O富电子位点，因此BCF与其结合的方式势必有所不同。本工作通过细致对比分析PDINO和PDINO:BCF的质谱、核磁、吸收、红外、X射线光电子能谱等结构表征（图2a-e），并结合理论计算模拟，提出BCF形成BCF-H2O后与PDINO的胺-N-氧化物端基配位形成PDINO-BCF-H2O配合物的作用机理（图2f），表明BCF-H2O可以直接与富电子基团通过配位作用形成配合物进而调节光电材料的能级。

图2

综上所述，该工作通过引入BCF与PDINO的配位作用优化了阴极界面并实现了最高18.1%的器件效率，提出BCF与PDINO的配位作用机理，拓展了调节光电材料能级的策略。该工作以research article的形式发表 在CCS Chemistry，已在官网“Just Published”栏目上线。

文章详情：

Fine-Tuning Contact via Complexation for High-Performance Organic Solar Cells

Yawen Li†, Zhenzhen Zhang†, Xiaona Han†, Tao Li* and Yuze Lin*

文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.021.202100832

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原标题：《CCS Chemistry | 配位作用精细调控有机太阳能电池的界面接触》

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