聚合物太陽能電池陰極界面修飾材料研究進展

袁帥+宋爽

摘 要：聚合物太陽能電池的技術經歷了三十多年的研究，目前在陰極界面修飾層材料方面有了長足發展，光電轉換效率得以不斷提高。同時，有關其陰極界面修飾材料的作用機理探討也在不斷深入。

關鍵詞：聚合物太陽能電池；界面修飾；光電轉換效率

引言

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，具有儲量大、分布廣、災害系數低等特點，是當前新能源開發利用的重點。光伏太陽能電池作為一種高效的太陽能利用產品，應用前景不容小覷。在太陽能電池市場中，目前占主導的是無機硅基太陽能電池。然而有機太陽能電池具有全固態、光伏性能可調范圍寬、半透明、可制成柔性器件以及可大面積印刷生產等優點，受到了越來越多的關注。

當前，圍繞聚合物太陽能電池的熱點研究方向之一，即是通過改良界面修飾層減小電荷分離/收集的障礙以形成歐姆接觸提升光電轉換效率（PCE）。本文總結了最近幾年不同結構的陰極界面修飾材料以及作用機制的最新研究進展。

1 聚合物太陽能電池陰極界面修飾材料

目前，已報道的聚合物太陽能電池陰極界面修飾材料，主要包括：非共軛有機陰極界面修飾材料和π共軛有機陰極界面修飾材料。

一方面，非共軛有機陰極界面修飾材料包括：由美國佐治亞理工大學的Bernard Kippelen課題組發現的飽和胺類聚合物[1]；由哈爾濱工業大學深圳研究院的鄧先予課題組獲得的氨基酸多肽[2]；由中國科學院寧波材料研究所葛子義課題組報道的季銨磺酸鹽兩性離子[3]。

另一方面，π共軛有機陰極界面修飾材料包括：由四川大學彭強課題組設計合成的基于芴的共軛小分子[4]；由中國科學院化學所王吉政課題組報道的 酰亞胺衍生物[5]；馬薩諸塞大學安姆斯特分校Todd Emrick課題組獲得的萘酰亞胺衍生物等[6]。

2 界面修飾層的工作機制

目前，針對界面修飾材料在界面層發揮作用的機理較為通用的解釋是：極性的界面修飾材料分子在電極表面定向排列產生了界面偶極，影響了相鄰的金屬內部電荷的分布，從而降低了金屬的費米能級，但是對這一過程的研究一直缺乏有力的實驗證據。最近，這一困擾已久的問題有了一些突破。

2014年，日本千葉大學Yasuo Nakayama課題組利用低能紫外光電子譜和光電子產生光譜對有機聚合物太陽能電池活性層與界面層之間的電子傳輸過程進行了深入的研究，提出了態密度模型。[7]他們發現在這些有機薄膜的能隙區域存在微弱的態密度分布，在活性層與電極之間產生了能帶彎曲，降低了電子或空穴的傳輸能壘。

2015年，日本千葉大學Hiroyuki Yoshida課題組利用低能逆光電子能譜技術第一次揭示了電子如何從界面修飾層傳遞到電極表面[8]。他們以銀電極和2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲 啉（BCP，21）修飾層為研究對象，發現了銀電極與BCP之間強烈的相互作用，使得銀-BCP復合物的最低未占據電子軌道（LUMO）與銀的費米能級一致，說明了這一電子傳遞過程是發生在界面層與電極復合物所形成的LUMO軌道上的。

3 結束語

目前，世界有機太陽能技術在逐步提高，未來有機太陽能電池的光電轉換效率有望突破15%的大關。當然，實現這一目標需要國內外有機太陽能電池領域的研究人員一起努力，開發出性能更優秀的活性層材料和界面修飾材料，同時解決電池壽命短和耐久性差的問題，推動有機太陽能電池的領域不斷向前發展，最終實現商業化，解決人類所面臨的能源短缺問題，為我們的日常生活需求帶來方便。

參考文獻

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[6]Liu Y， Page Z A， Russell T P， et al. Finely tuned polymer interlayers enhance solar cell efficiency[J].Angewandte Chemie International Edition， 2015， 54 （39）： 11485-11489.

[7]Nakayama Y， Nguyen T L， Ozawa Y， et al. Complete demonstration of the valence electronic structure inside a practical organic solar cell probed by low energy photoemission[J].Advanced Energy Materials，2014，4（7）：1301354.

[8]Yoshida H. Electron transport in bathocuproine interlayer in organic semiconductor devices[J].The Journal of Physical Chemistry C， 2015， 119 （43）： 24459-24464.

作者簡介：袁帥（1988-），女，湖北武漢，助理工程師，碩士，主要從事光伏發電技術研究，工作單位：武漢船用電力推進裝置研究所。