有机太阳能电池（OSCs）凭借诸多突出优势受到广泛关注，这类优势包括可选材料种类丰富、器件轻便，且能够通过溶液法低成本大面积制备，目前已有文献报道其光电转换效率（PCE）突破21%。在高性能有机太阳能电池中，通常会在阴极与活性层之间增设电子传输层（ETL），用以减小因金属电极和活性层之间功函数（WF）不匹配产生的肖特基势垒。但是，随着近红外稠环电子受体（FREAs）的快速发展，其更深的前线分子轨道能级对界面层的能级匹配提出了更高要求，而传统给体-受体（D-A）型界面层存在近红外寄生吸收强、厚膜性能衰减快等问题，成为制约有机太阳能电池商业化的核心瓶颈。
图1.通过侧链与主链同步分子工程设计仿生两性离子型A1–A2类电子传输层
本研究工作以经典磺酸甜菜碱（SB）侧链修饰的D-A型两性离子材料PDITh-SB为对比材料，通过将SB替换为六氟异丙基功能化的磷酸胆碱（PC）完成侧链改性修饰，得到PDITh-PC。六氟异丙基功能化的PC侧链的引入可显著增强分子间相互作用，大幅提升材料疏水性并精准调控分子堆积行为，从分子结构上为器件的效率与长期稳定性的协同提升创造条件。随后，将主链上给电子的2,2'-联噻吩（BTh）结构单元替换为缺电子的2,2'-联噻唑（BTz）结构单元，设计合成了新型A1-A2型电子传输层PDITz-PC。PDITz-PC通过仿生PC侧链与A1-A2共轭主链的协同调控，不仅全面满足作为电子传输材料的溶剂正交性、电极功函数的高效调控、器件内建电场（Vbi）显著提升以及更高电子迁移率与电导率等核心基础要求，更赋予材料多重关键优势：前线轨道能级更深、近红外寄生吸收更低、分子堆积更有序、疏水性更强，且与主流活性层体系界面相容性优异，为高性能有机光伏电池制备提供了理想的界面解决方案。
图2. PDITh-SB、PDITh-PC与PDITz-PC的有机光伏器件光电性能表征
基于115 nm厚膜的PDITh-PC、PDITz-PC器件保持优异的光伏性能：PDITh-PC、PDITz-PC的PCE对应为各自PCEmax的87%和92%。值得注意的是，在ETL的厚度大于100 nm的条件下，PDTz-PC的PCE是目前PM6:Y6体系取得的最优性能数据之一。此外，PDITz-PC同时展现出极强的体系普适性与规模化制备潜力，应用于D18:L8-BO:BTP-eC9三元体系中，0.04 cm2小面积器件实现21.02%的PCE；在PM6:L8-BO:BTP-eC9三元体系中，0.6cm2的大面积器件中取得19.61%的PCE。此外，PDITz-PC的器件在储存稳定性（T90 > 67 day）与运行稳定性(T80>1200 h)方面均实现大幅跃升。本研究表明，在合成可实际应用的高性能电荷传输材料时，对分子主链与侧链进行协同改性具备巨大的发展潜力。
该研究成果以“Zwitterionic Bioinspired Acceptor–Acceptor (A1–A2) Type Interlayers for Organic Solar Cell”为题发表于《Journal of the American Chemical Society》上。论文第一作者为北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心硕士研究生韩文天、博士研究生文俊杰、姜永康以及天津科技大学付路路老师，通讯作者为北京化工大学刘瑶教授、刘文旭副教授以及中国科学院大学张昕副教授。该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。
文章信息：
Han W., Wen J., Jiang Y., et al. Zwitterionic Bioinspired Acceptor–Acceptor (A1–A2) Type Interlayers for Organic Solar Cells. Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/jacs.6c00049
原文链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.6c00049