绿色合成法制备聚电解质界面助力高效太阳能电池

有机太阳能电池单层构造的器件效率已经突破12%，叠层电池的效率也已逼近13%，这一系列的飞速发展，来自于活性层材料开发、器件结构及制备方法、界面等方方面面的协同发展。多数高效太阳能电池的器件结构采用倒装形式，利用某些金属氧化物作为界面，这样可以制备具有较高稳定性的太阳能电池器件。

在不同的金属氧化物中，ZnO迁移率较高、稳定、透明、容易合成，是一类具有潜力的电子传输层。但是，其本身的界面缺陷以及有机/无机界面间接触较差，这些都限制了电荷的提取以及传输效率。这使得在电极处的电荷收集效率大大降低，导致其短路电流及其填充因子都较低。常见解决该问题的思路是在金属氧化物及电极之间加入一层非常薄的缓冲层，这一层不仅提供了金属氧化物界面及体相异质结活性层之间的粘结，还可提高从活性层到电极的传输。最近，澳大利亚墨尔本大学David J. Jones博士和Wallace W. H. Wong博士等人利用新型的水相Suzuki聚合方法合成了两种基于聚芴的聚合物PFS-FTEG和PFS-FC，可以提高有机太阳能电池及钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。该方法简便环保，可完全在空气中进行。

通常的合成方法采用中性的前驱体进行聚合，最后再进行离子修饰。但是，这种方法却有几个缺点。考虑到有机太阳能电池应用中的可重复性，后聚合修饰必须以非常高的转换率进行以此形成电子均一的材料。随着离子转换反应的进行，非极性部分会离子化，基体的溶解性会发生剧烈变化。最后而且很重要的一点，前驱体传统的聚合方法常常需要应用有毒的有机溶剂/能量集中的反应条件。相比之下，最理想的合成方法则是在空气中使用绿色溶剂（水或醇）进行聚合。采用嘧啶配体而不采用空气中不稳定的三氢化磷配体，这使得目标分子的合成不需要使用有机溶剂，并且完全可以暴露于空气中。而且，水性溶剂的选择使得聚合物的单体可以直接离子化。

图1. 水相Suzuki聚合方法合成目标共轭聚合物PFSFTEG及PFS-FC。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

通过图1，可以看出具有磺酸钠基团的单体M1直接与带有OPEG及酯基的芴的硼酸酯进行聚合就可以得到聚合物PFS-FTEG以及PFS-FC。粗产物只需要进行简单的透析就可以直接纯化。这类聚合物较容易酸化，加入盐酸可以形成相应的聚酸，大大方便其GPC的分析。

作者随后将该材料用于倒置有机太阳能电池器件中。器件中以PTB7-TH以及PCBM作为其活性层（图2b），其各部分材料的能级如图2b所示。界面层从醇溶液中旋涂到ZnO薄膜上，其厚度为5 nm。如图二d所示，将ZnO、ZnO/PFS-FTEG以及ZnO/PFS-FC旋涂到ITO基板上在可见光区域具有大于80%的平均透光率。

图2. a) PTB7-Th及PC71BM的分子结构；b) OPV器件中不同成分的能级图 ITO/ZnO、ITO/ZnO/PFS-FTEG以及ITO/ZnO/PFS-FC薄膜的光学透光率(c)及其荧光曲线(d)。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

该有机太阳能电池器件采用倒置结构（图3a），电流-电压曲线如图3b所示。只用ZnO作为电子传输层可以得到9.7%的效率，与其他文献报道相仿。而利用了目标分子PFS-FTEG或者PFS-FC之后，器件效率可以分别提高到10.75%以及10.3%。效率的提高主要归功于短路电流及填充因子的明显提高，其电流的提高可以通过外量子效率曲线（图3c）明显看出。

图3. a) 倒装器件的结构示意图；b) J–V曲线；c) 外量子效率曲线；d) 应用不同界面电池的尼奎斯特曲线。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

同时，作者将阴极界面应用于倒装钙钛矿电池之中，发现在直接应用ZnO作为阴极界面，其最高效率为12%，然而应用PFS-FTEG之后，其效率可以提高到15.1%，填充因子明显提高，由61%提高到69%。而应用PFS-FC之后，其效率可以提高到13.9%（图4）。

图4. a) 钙钛矿电池的结构示意图；b) 应用不同电子传输层ZnO、ZnO/PFS-FTEG以及ZnO/PFS-FC的J-V曲线。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

总之，作者利用Suzuki偶联，在空气与水相中（没有利用有机溶剂）制备了两种新型的聚合物，并成功应用于有机太阳能电池及钙钛矿太阳能电池中。我们期待有机太阳能电池的其它材料也可以采用这种简单且环保的方法来制备。

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A Green Route to Conjugated Polyelectrolyte Interlayers for High-Performance Solar Cells

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201612021

（本文由科研小顽童供稿）

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