北京化工大学/江西科学院李韦伟教授CCS Chemistry：光伏电池界面修饰新材料——基于钛氧簇和苝酰亚胺的有机-无机杂化材料

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北京化工大学/江西省科学院李韦伟教授团队开发了一种可溶液处理的有机-无机杂化材料。研究人员将苝酰亚胺分子衍生物BPTI-OH修饰于环状钛氧团簇（CTOC）的外围，合成的目标分子CTOC-3-BPTI显示出优异的溶解性、合适的能级匹配与良好的电子迁移率，使其应用于钙钛矿电池和有机太阳能电池的电子传输层，分别获得了20.14%和16.71%的高能量转换效率。

二氧化钛（TiO₂）纳米材料普遍用作不同薄膜太阳能电池的电子传输层，例如染料敏化太阳能电池，钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池。但是，TiO₂在光伏电池中的应用仍受到电子迁移率低、表面粗糙度高和缺陷密度大的限制，不利于TiO₂界面与有机/无机吸光层之间形成欧姆接触，造成在界面处存在严重的电子累积与复合，从而导致低能量转换效率和钙钛矿太阳能电池中的迟滞现象。因此，发展新型的界面修饰材料可有效解决此类问题。

近日，北京化工大学/江西省科学院李韦伟教授团队开发了一种可溶液处理的有机-无机杂化材料。在这项工作中，研究人员利用环状钛氧团簇（CTOC）表面有机配体的灵活可交换性，将苝酰亚胺分子衍生物BPTI-OH修饰于CTOC的外围（图1）。合成的目标分子CTOC-3-BPTI显示出优异的溶解性、合适的能级匹配与良好的电子迁移率，使其应用于钙钛矿电池和有机太阳能电池的电子传输层，分别获得了20.14%和16.71%的高能量转换效率。

图1

图2

在钙钛矿太阳能电池中，CTOC-3-BPTI作为TiO₂与钙钛矿吸光层Cs_0.05(FA_0.85MA_0.15)_0.95Pb(I_0.85Br_0.15)₃之间的界面修饰层，得益于对TiO₂表面功函的调节、膜层形貌的改进和缺陷态的钝化，以及在吸光层与界面层之间增强的电子转移，使用CTOC-3-BPTI/TiO₂作为电子传输层的器件性能远高于单层TiO₂界面（16.02%）以及使用CTOC-3（16.82%）和BPTI-OH（17.21%）作为修饰层的器件效率（图2）。

CTOC-3-BPTI的优越性在有机太阳能电池中得到了进一步验证，在基于PM6:Y6的电池器件中，CTOC-3-BPTI作为界面层可达到15.43%的效率，稍低于使用PDINO（15.84%）的电池效率。CTOC-3-BPTI / PDINO组成的双层界面层的电池效率达到了16.71%（图3），这可归因于CTOC-3-BPTI能够改善电子从吸光层到电极的传输行为。

图3

综上所述，这项工作通过巧妙地结合钛氧团簇与有机染料分子，开辟了一类新的有机-无机杂化材料，赋予其在有机电子领域中广阔的应用前景。

研究工作得到国家自然科学基金，江西省自然科学基金重点项目以及江西省科学院博士启动基金的资助。该工作以Communication的形式发表在CCS Chemistry，已在官网“Just Published”栏目上线。

原文链接
https://doi.org/10.31635/ccschem.021.202100825

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