电活性紫罗烯有机光伏界面材料的研究进展

doi:10.7503/cjcu20230167

摘要/Abstract

摘要：

有机太阳能电池因具有质轻、柔性及可印刷制备等优点而受到广泛关注. 调控和优化金属电极与有机半导体活性层之间的软/硬材料界面是有机太阳能电池界面工程的前沿课题, 其核心是新型界面材料的设计合成与器件集成. 紫罗烯聚合物是一类新兴的非共轭聚合物电解质界面材料, 其离子部分位于聚合物主链. 相对于传统共轭聚合物电解质, 紫罗烯聚合物合成方法简单, 条件温和而且绿色, 具有更高的离子浓度和更强的界面诱导极化能力, 适用于有机太阳能电池的界面修饰. 电活性紫罗烯的最新研究进展激发了科研人员探索这种新型聚合物在有机电子器件中应用的兴趣. 本综合评述介绍了电活性紫罗烯聚合物的分子设计与合成, 讨论了紫罗烯聚合物修饰金属电极的机理和作用, 以及其电荷传输性能和界面能级调控能力.

关键词: 有机太阳能电池, 电活性紫罗烯, 功函数, 界面工程

Abstract:

Organic solar cells have attracted wide attention from academia and industry due to their advantages of light weight， flexibility， and printable preparation. The modulation and optimization of the soft/hard material interfaces between metal electrodes and organic semiconductor active layers is the research frontier of interface engineering in organic solar cells. The core of the research is the design and synthesis of new interlayer materials and their integration into devices. Ionene is an emerging class of non-conjugated polyelectrolytes-based interlayer materials， in which ionic species reside within the polymer backbone. Compared with traditional conjugated polyelectrolytes， the synthesis of ionene polymers is simple， the reaction conditions are mild and green， and it has higher ion concentration and stronger interfacial polarization capability， which is suitable for the interface modification of organic solar cells. Recent advances in electroactive ionene have stimulated the interest of researchers to explore the application of this novel polymer in organic electronic devices. In this review， the molecular design and synthesis of electroactive ionene polymers were reviewed， and the mechanism and function of these ionene polymers on interfacial modifications were discussed， as well as their charge transport property and the performance of interfacial energy level alignment.

Key words: Organic solar cell, Electroactive ionene, Work function, Interface engineering

中图分类号:

O649.5

TrendMD:

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图/表 14

Fig.1 General mechanism for SN2 reactions

Fig.3 Synthesis of PDI⁃based ionenes

Fig.4 Synthesis of NDI⁃based ionenes

Fig.5 Synthesis of fullerene⁃based ionenes[72]

Fig.6 Schematic of the interfacial dipole induced by ionic functionalities in ionenes(A), ion migration model applied to ultrathin ionene interlayers(B) and molecular reorientation model applied to thick ionene interlayers(>10 nm)(C)[2]Copyright 2022， American Chemical Society.

Fig.7 SKP measurements of NDI⁃DAN⁃1 and NDI⁃DAN⁃2 on Ag substrates(A)[69], schematic of the ionene interlayer modifying electrode(B), UPS spectra of different electrodes coated with aliphatic ionene or the C60⁃ionene interlayer(C), showing the increase in the secondary electron cutoff(ESEC) in the high binding⁃energy region after modification[2]（A） Copyright 2021， American Chemical Society；（B， C） Copyright 2022， American Chemical Society.

Fig.8 Electron paramagnetic resonance spectra of PDI⁃based ionenes with F-, Cl-, Br-, I-, OH- and CH3COO-(AC) as counterions(A)[66] and current⁃voltage(I⁃V) measurements of PDI⁃10, PDI⁃50 and PDI⁃100 thin films(B)[53]（A） Copyright 2017， the Royal Society of Chemistry；（B） Copyright 2018， Wiley-VCH.

Fig.9 EPR spectra of NDI⁃N, DAN⁃Br, and NDI⁃N, DAN⁃Br in solid state(A)and current⁃voltage(I⁃V) measurements of polymer thin films coated on parallel silver electrodes(B)[69]Copyright 2021， American Chemical Society.

Fig.10 AFM images of PTB7∶PC71BM film(A), NDI⁃NI on PTB7∶PC71BM(B), NDI⁃CI on PTB7∶PC71BM(C), PTB7⁃Th∶PC71BM film(D), NDI⁃NI on PTB7⁃Th∶PC71BM(E), NDI⁃CI on PTB7⁃Th∶PC71BM(F), 2D⁃GIXD patterns of NDI⁃CI(G) and NDI⁃NI(H) and the corresponding line cuts of 2D⁃GIXD(I)[68]Copyright 2020， Wiley-VCH.

Fig.11 Transmission electron microscopy(TEM) images of PDI⁃10(A), PDI⁃50(B) and PDI⁃100(C)(the scale bar is 100 nm), and normalized sum of the PDI peak intensities from the π* states of the PDI core as a function of incident angle in NEXAFS characterizations(D)[53]Copyright 2018， Wiley-VCH.

Fig.12 Optical microscopy images of ionene polymers as thin film coatings on PBDTT⁃TT∶PC71BM(A) and on PBDB⁃T∶ITIC(B), optical microscopy images of C60⁃ionene thin films coated on PBDTT⁃TT∶PC71BM(C) and on PBDB⁃T∶ITIC(D)[72]Copyright 2019， Wiley-VCH.

Fig.13 Chemical structures of ionene interlayers and the photoactive layers used to prepare the OPV devices

Table 1 Summary of device performance of different interlayer materials

Interlayer material	Device configuration	PCE（%）	Ref.
C₆₀⁃ionene	ITO/PEDOT∶PSS/PBDB⁃T∶ITIC/C₆₀⁃ionene /Ag	11.04	［72］
NDI⁃NI	ITO/PEDOT∶PSS/PTB7∶PC₇₁BM/NDI⁃NI /Ag	9.74	［68］
	ITO/PEDOT∶PSS/PM6∶Y6/NDI⁃NI /Ag	16.27	［68］
NDI⁃CI	ITO/PEDOT∶PSS/PTB7∶PC₇₁BM/NDI⁃CI /Ag	7.92	［68］
	ITO/PEDOT∶PSS/PTB7⁃Th∶PC₇₁BM/NDI⁃CI /Ag	8.52	［68］
NDI⁃DAN	ITO/PEDOT∶PSS/PM6∶Y6/NDI⁃DAN /Ag	16.76	［69］
	ITO/PEDOT∶PSS/PM6∶Y6∶PC₇₁BM/NDI⁃DAN /Ag	17.05	［69］
PPDI⁃Ac	ITO/PEDOT∶PSS/PTB7∶PC₇₁BM/PPDI⁃Ac /Ag	9.45	［66］
	ITO/PEDOT∶PSS/PffBT4T⁃2OD∶PC₇₁BM/PPDI⁃Ac /Ag	9.63	［66］
PPDI⁃F	ITO/PEDOT∶PSS/PTB7∶PC₇₁BM/PPDI⁃F /Ag	8.85	［66］
PPDI⁃Cl	ITO/PEDOT∶PSS/PTB7∶PC₇₁BM/PPDI⁃Cl /Ag	9.17	［66］
PPDI⁃OH	ITO/PEDOT∶PSS/PTB7∶PC₇₁BM/PPDI⁃OH /Ag	9.38	［66］
PPDI⁃Cl_0.9Ac_0.1	ITO/PEDOT∶PSS/PTB7∶PC₇₁BM/PPDI⁃Cl_0.9Ac_0.1 /Ag	9.38	［66］
PPDI⁃Cl_0.5Ac_0.5	ITO/PEDOT∶PSS/PTB7∶PC₇₁BM/PPDI⁃Cl_0.5Ac_0.5 /Ag	9.39	［66］
PDI⁃PZ	ITO/PEDOT∶PSS/PBDTT⁃TT∶PC₇₁BM/PDI⁃PZ/Ag	7.37	［52］
	ITO/PEDOT∶PSS/PBDB⁃T∶ITIC /PDI⁃PZ /Ag	6.95	［52］
C₆₀⁃PZ	ITO/PEDOT∶PSS/PBDTT⁃TT∶PC₇₁BM/C₆₀⁃PZ /Ag	10.74	［52］
	ITO/PEDOT∶PSS/PBDB⁃T∶ITIC /C₆₀⁃PZ /Ag	10.10	［52］
PDI⁃10	ITO/PEDOT∶PSS/PBDTT⁃TT∶PC₇₁BM/PDI⁃10/Ag	5.41	［53］
PDI⁃50	ITO/PEDOT∶PSS/PBDTT⁃TT∶PC₇₁BM/PDI⁃50 /Ag	10.64	［53］
	ITO/PEDOT∶PSS/PBDB⁃T∶ITIC /PDI⁃50 /Ag	10.59	［53］
PDI⁃100	ITO/PEDOT∶PSS/PBDTT⁃TT∶PC₇₁BM/PDI⁃100 /Ag	10.47	［53］
	ITO/PEDOT∶PSS/PBDB⁃T∶ITIC /PDI⁃100 /Ag	9.68	［53］

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