软物质高精尖中心刘瑶课题组《ACS Energy Lett.》：兼具高批次稳定性与膜厚不敏感性的介观聚合物阴极界面层助力高效稳定有机太阳能电池
有机光伏器件中的界面层在调控活性层-电极之间界面接触特性、促进电荷高效传输与收集等方面扮演重要角色。为推动有机光伏商业化，界面层材料应满足溶解性与成膜性良好、批次差异小、膜厚不敏感的要求。两性离子类材料具有优异的醇溶性、出色的功函数调控能力，是可用于有机太阳能电池的潜在阴极界面层（图1a），但目前广泛使用的两性离子类小分子与两性离子聚合物均存在一些不足：对两性离子类小分子而言，其结晶性较强、成膜性较差，限制了加工窗口；而两性离子聚合物往往批次差异性较大、溶解度较差（图1b）。
图1. (a)两性离子类材料降低金属功函数的原理；(b)传统的两性离子类小分子、聚合物与本文中的介观聚合物两性离子的特点；(c)介观聚合物两性离子MT2PDINz与MT2PDIMz的设计策略及其结构；(d)几种两性离子类材料的电子自旋共振图谱；(e,f)介观聚合物两性离子的电导率与文献报道的两性离子类材料电导率对比
有鉴于此，近日，北京化工大学刘瑶教授团队通过聚合单体结构与聚合条件的协同优化，首次开发了介观尺度（分子量介于1到10 kDa之间且分散度小）两性离子（MT2PDINz与MT2PDIMz），成功克服两性离子类小分子与聚合物料的上述不足（图1b和c）；通过选用具有大共轭平面的苝二酰亚胺与具有强给电子能力的联噻吩共聚构成的共轭骨架还有助于提高材料自掺杂及电导率，有望突破器件性能对界面层厚度依赖性强的瓶颈（图1d-f）。
图2. (a,b)基于不同厚度MT2PDINz与MT2PDIMz阴极界面层的PM6:Y6体系J-V曲线；(c) 基于不同批次MT2PDINz与MT2PDIMz为阴极界面层的PM6:Y6体系效率统计图；(d,e) 基于MT2PDIMz与MT2PDIMz阴极界面层的PM6:BTP-eC9, PM6:BTP-eC9:PC71BM体系性能统计直方图；(f)以两性离子类材料为阴极界面传输层的电池性能统计图
以所获得的介观聚合物两性离子为界面层，经典的非富勒烯体系PM6:Y6表现出优异的性能且在界面层厚度达到40 nm时电池仍可保持最优效率的98%（图2a-b）；更重要地，不同批次合成的介观聚合物性能间的批次差异较小（图2c）。进一步研究表明，此类界面层对提升器件稳定性有一定帮助，并适用于多种高性能的二元/三元体系（例如PM6:BTP-eC9, PM6:BTP-eC9:PC71BM及D18-Cl:N3）及电极（Ag与价格更低廉的Cu），最终可实现超19%的光电转换效率，是基于两性离子类界面层器件的新突破（图2d-f）。系统的测试研究结果表明，与含有烷基胺类两性离子侧链的MT2PDINz相比，侧链引入具有p体系的咪唑单元有助于进一步调控MT2PDIMz的光物理性质、增强其自掺杂能力并可改善与活性层相容性，从而促进载流子在界面处的传输并抑制复合，是相应器件获得更高性能与稳定性的原因。
总之，本工作将介观聚合物的理念与两性离子材料设计巧妙融合，通过合理的选择主链共轭单元的砌块结构，获得了溶解性好、批次重复性佳、膜厚加工范围宽的阴极界面层材料；该工作同时也证实了通过侧链工程进一步提高材料自掺杂能力及其与活性层相容性的可行性，为开发可用于有机光电子学领域的高性能两性离子类材料提供了新思路。
该工作以“Batch-Reproducible and Thickness-Insensitive Mesopolymer Zwitterion Interlayers for Organic Solar Cells”为题发表在《ACS Energy Lett.》上，第一作者为北京化工大学高精尖中心硕士生朱程昊，通讯作者为刘文旭副教授和刘瑶教授。北京化工大学软物质与工程创新中心为第一通讯单位。本研究得到了国家自然科学基金项目的资助。特别感谢北京大学占肖卫教授对该工作的悉心指导与大力帮助。
论文信息：
ZHU C, TIAN J, LIU W, et al. Batch-Reproducible and Thickness-Insensitive Mesopolymer Zwitterion Interlayers for Organic Solar Cells. ACS Energy Letters, 2023: 2689-2698.
文章信息：ACS Energy Letter DOI:10.1021/acsenergylett.3c00584
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