1、研究背景
作为有机太阳能电池器件的重要功能单元之一，阴极界面材料具有电子提取、传输和阻挡空穴的作用，在过去的十几年里已经得到了国内外学者的广泛研究，许多性能优异的材料已经被开发出来。然而，这些材料大多数都具有膜厚敏感性（最佳工作厚度在5 – 40 nm，一旦厚度超过这个区间，电池的工作效率将发生断崖式下跌），这种随着薄膜厚度增大导致电子传输能力降低的缺点使其不能满足有机太阳能电池商业化应用的基本要求。因此，开发可厚膜使用的有机太阳能电池阴极界面材料是当前研究的重点和难点之一。
稳定自由基因其特殊的性质而被广泛地应用于催化合成、磁性材料、生物科学和储能材料等领域，有研究表明，一些稳定自由基材料在制备成厚度较厚的薄膜后仍然具有优异的电子传输能力。因此，本课题组设想在阴极界面材料中引入稳定自由基，以提高界面的电子传输能力，最终解决材料的膜厚敏感性问题。
2、研究内容
本研究中我们报道了一种由苝二酰亚胺单元与稳定自由基单元交替连接的水/醇溶性聚合物电解质材料，命名为PDIN-TEMPO，并通过UV-vis光谱、EPR、CV和UPS对其物化性质进行了表征。将阴极界面材料PDIN-TEMPO以不同厚度应用于正向有机太阳能电池器件，并对其光伏性能进行测试，结果表明在薄膜厚度达到100 nm的条件下器件的光电转换效率仍然能够保持最佳效率的86%，并且填充因子几乎保持不变。为进一步证明稳定自由基在材料中的作用，我们合成了对照材料PDIN-Br和TEMPO-Br，并将它们在相同的条件下应用于有机太阳能电池器件。结果表明，稳定自由基TEMPO和苝二酰亚胺PDIN对于材料的可厚膜使用特性缺一不可，对该三种材料的阻抗测试进一步验证了稳定自由基的存在能够优化材料的电子传输能力。最后，我们将PDIN-TEMPO作为阴极界面层材料应用于反向有机太阳能器件，基于PM6/L8-BO的光电转换效率能够达到17.07%，进一步验证了该材料的应用潜力。
Fig. 1 (a) Materials design strategy in this work. (b) Comparison between the thickness dependent performance of PDIN-TEMPO and those representative CIL materials in literature.
Fig. 2 Synthesis and characteristics of PDIN-TEMPO: (a) Synthetic route, (b) UV-vis spectra, (c) EPR spectra, (d) CV spectra and (e) UPS
Fig. 3 Photovoltaic performance based on PDIN-TEMPO as CIL. (a) OSC structure. (b) J-V curves of PM6:L8-BO based OSCs with different CIL thicknesses. (c) Corresponding EQEs. (d) Detailed evolution of PCEs, Jscs, Vocs and FFs with CIL thicknesses among 5 – 100 nm.
Fig. 4 (a) Chemical structure of PDIN-Br. (b) Photovoltaic parameters evolution along the variation of PDIN-Br thickness. (c) Chemical structure of TEMPO-Br. (d) Photovoltaic parameters evolution along the variation of TEMPO-Br thickness. (e) Device stability in N2 filled box. (f) J-V curves of ITO/CIL films/Ag structure for conductivity. (g and h) EIS of PDIN-TEMPO and PDIN-Br based OSCs, respectively.
Fig. 5 (a) J-V curve of PM6:L8-BO based inverted OSC. (b) J-V curves of PM6:BO-4Cl and PM6:IT-4F based regular OSCs.
相关成果以“Stable Radical based Conjugated Electrolytes as Cathode Interlayer for Organic Solar Cells with Thickness-Insensitive Fill Factors”为题发表在Journal of Materials Chemistry A期刊上。江西省科学院应用化学研究所方洁博士、硕士研究生张子薇和博士研究生张洲为论文第一作者，江西省科学院应用化学研究所为第一单位，北京化工大学李韦伟教授和江西省科学院赵朝委副研究员为共同通讯作者，本研究得到了国家自然科学基金，北京市自然科学基金，江西省自然科学基金，江西省科学院经费包干制项目的支持。