不同取代基的氧化膦功能化三嗪阴极界面材料在柔性有机和钙钛矿太阳能电池的应用

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为了满足人们未来对可持续能源的需求，近年来科学家们投入了大量精力研究能够将太阳能转化成电能的高效光伏系统。下一代柔性太阳能电池研究的重点主要集中在开发低成本、可溶液加工以及大面积器件上，以获得物美价廉的产品。在众多光伏器件中，钙钛矿太阳能电池（PSCs）和倒装有机太阳能电池（IOSCs）选用合适的阴极界面材料（CILs）和空穴传输材料（HTMs），分别获得高达22.1%和11%的器件光电转换效率（PCE），表现出良好的发展空间。提高活性层和电极之间的界面接触，可以有效减小电阻，提高开路电压（V_oc）、短路电流密度（J_sc）、填充因子（FF）等性能参数，从而实现器件效率大幅提高。

最近，韩国国立釜山大学Sung-Ho Jin和韩国材料科学研究所（KIMS）Myungkwan Song等研究者设计合成了三个基于PO-TAZ的有机小分子材料（图1a），包含氧化膦（P=O）功能化的1,3,5-三嗪（TAZ）以及分别位于邻位、间位和对位的氟（F）取代，具有不同玻璃化转变温度（T_g）。将它们用作IOSCs和PSCs的界面材料时，发现含有对位F取代的分子（p-(F)-PO-TAZ）的器件取得最高的PCE（分别为7.68%和14.64% ），同时也表现出更好的长期稳定性。

图1. （a）o-(F)-, m-(F)-, p-(F)-PO-TAZ以及聚合物给体(PB(NAP-Th)TBT)的分子结构；（b）o-(F)-, m-(F)- 和p-(F)-PO-TAZ 的HOMOs and LUMOs的DFT。图片来源：Organ. Electron.

为了研究PO-TAZ衍生物的界面修饰功能，作者制备了IOSCs器件（见图2a），从器件数据（见表1）可以明显看出，加入PO-TAZ衍生物后，器件的J_sc和FF都有明显提高，从而导致器件效率的增加。其中p-(F)-PO-TAZ修饰的器件获得最高效率7.68%。作者通过外量子效率（EQE）（图2c）计算的积分电流与J-V曲线（图2b）的J_sc是一致的，并且340-700 nm范围内PO-TAZ修饰的器件的EQE要高于纯ZnO的器件。这也很好的说明插入PO-TAZ后，活性层与电极之间的界面有了明显改善。

图2. （a）IOSCs的能级示意图；分别基于ZnO, ZnO/o-(F)-, m-(F)-和-(F)-PO-TAZ的IOSCs的（b）J-V曲线、（c）EQE曲线、（d）PCE性能参数盒形图。图片来源：Organ. Electron.

表1. 有无o-(F)-, m-(F)-和-(F)-PO-TAZ界面的IOSCs器件参数。图片来源：Organ. Electron.

作者还研究了p-(F)-PO-TAZ在PSCs中的应用。器件结构如图3a，从器件数据（表2）看ZnO/p-(F)-PO-TAZ的界面同时提高了V_oc、J_sc、FF，器件效率提高到了14%，而且器件迟滞现象很弱。从J-V曲线可以看出，ZnO/p-(F)-PO-TAZ具有较高的J_sc，这也与EQE曲线中500-700 nm之间更好的光吸收是一致的。

图3. （a）PSCs能级示意图；分别基于ZnO, ZnO/p-(F)-PO-TAZ的PSCs的（b）J-V曲线、（c）EQE曲线、（d）稳态效率、（e）PCE柱状图。图片来源：Organ. Electron.

表2. 有无p-(F)-PO-TAZ的PSCs光伏参数。图片来源：Organ. Electron.

此外，作者还研究了IOSC和PSC器件未包封状态在大气环境中的稳定性（图4c、d），含有ZnO/p-(F)-PO-TAZ的器件表现出了更好的稳定性。作者认为加入p-(F)-PO-TAZ后器件稳定性的提高可能是由于它本身的疏水性（接触角46.3°）。

图4. （a）o-(F)-, m-(F)-和p-(F)-PO-TAZ修饰的IOSCs的能级图；（b）CIL存在下的电子传输示意图；（c）IOSC器件和（d）PSC器件20天的稳定性。图片来源：Organ. Electron.

在IOSC和PSC器件中，选用合适的界面材料，可以有效减小界面损失，是提高器件效率的有效方法。因此，科研工作者不仅要关注活性层的开发，还要关注界面材料的开发。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Substituent position engineering of phosphine oxide functionalized triazine-based cathode interfacial materials for flexible organic and perovskite solar cells

Organ. Electron., 2018, 54, 54-63, DOI: 10.1016/j.orgel.2017.12.017

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