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有機太陽能電池具有重量輕、械柔韌性好、半透明等特性，在有機電子器件領(lǐng)域備受關(guān)注。隨著新材料的開發(fā)以及器件工藝的優(yōu)化，有機太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率（PCE）已經(jīng)超過19%。值得一提的是，這些高效率器件的制備十分依賴聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）作為空穴傳輸層（HTL）。但是，PEDOT:PSS的親水性和強酸性造成了器件穩(wěn)定性的大幅衰減，以致諸多有機太陽能電池穩(wěn)定性的研究都采用反型結(jié)構(gòu)器件，目前正型有機太陽能電池尚難實現(xiàn)效率和穩(wěn)定性的兼顧。

為解決上述問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義研究員/楊道賓副研究員團(tuán)隊采用不對稱分子設(shè)計策略，設(shè)計合成了高偶極矩自組裝單分子層（SAM）材料作為HTL，用于實現(xiàn)高效穩(wěn)定的有機太陽能電池。

通過密度泛函理論計算，構(gòu)建了高偶極矩自組裝單分子層（SAM）材料，BrCz（μ=3.25 D）和BrBACz（μ=4.32 D）。通過紫外吸收光譜、紫外光電子能譜、X射線光電子能譜、原子力顯微鏡、接觸角測量等表征手段，清楚地解析自組裝分子的結(jié)構(gòu)與光物理性能的關(guān)系。研究表明，與ITO/PEDOT:PSS相比，ITO/BrBACz具有更高的透過率，有助于活性層捕獲更多的太陽光；ITO/BrBACz具有更低的功函數(shù)，有助于改善空穴提取能力；ITO/BrBACz具有良好的疏水性，有助于改善器件的空氣穩(wěn)定性，降低界面電阻和載流子復(fù)合。因此，以 PM6:eC9為光活性層、以 BrBACz 為空穴傳輸層的正型有機太陽能電池實現(xiàn)了19.7%的效率，創(chuàng)下了二元有機太陽能電池效率的最高紀(jì)錄。

更重要的是，以BrBACz為空穴傳輸層的正型有機太陽能電池表現(xiàn)出極好的空氣穩(wěn)定性，未封裝器件在濕度40±5%條件下，放置1036小時后仍然可保留其初始效率的95%。然而，同等條件下，以PEDOT:PSS為空穴傳輸層的正型器件，在放置300小時后就衰減了60%的效率。此外，自組裝分子BrBACz在多個高效率光活性層體系中都展現(xiàn)出良好的普適性，如PM6:Y6，PM6:L8-BO和D18:eC9，光伏效率均得到大幅提高。綜上所述，該研究提出了一種不對稱分子設(shè)計策略，可以有效調(diào)節(jié)自組裝分子的偶極矩和疏水性，從而實現(xiàn)高效且穩(wěn)定的正型有機太陽能電池。

論文信息

Self-Assembled Molecules with Asymmetric Backbone for Highly Stable Binary Organic Solar Cells with 19.7?% Efficiency

Xueliang Yu,?Pengfei Ding,?Prof. Daobin Yang,?Pengyu Yan,?Hongqian Wang,?Shuncheng Yang,?Jie Wu,?Prof. Zhongqiang Wang,?Dr. He Sun,?Zhenyu Chen,?Dr. Lin Xie,?Prof. Ziyi Ge

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202401518

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