破解有机太阳能电池领域难题　兰大研究团队上分

原标题：兰州大学研究团队在有机光伏界面材料研究中取得新进展

有机太阳能电池（OSCs）因其轻质、本征柔性和可溶液加工等独特优势，已成为一种前景广阔的可持续绿色能源技术。阴极界面层位于活性层与阴极之间，是OSCs中的关键组成部分，对电子的选择性收集与传输至关重要。然而，目前报道的阴极界面材料大多存在电导率较低的问题，这使得它们无法在超过100nm的厚度下实现高光电转换效率，难以与当前的大面积器件制备工艺相兼容。电导率(σ)与载流子浓度(n)及载流子迁移率(μ)成正比。在阴极界面材料中，通常采用自掺杂策略来实现均匀高效的掺杂效果。为了确保抗衡离子能够有效掺杂，分子间的π−π堆积距离必须足够大，以使离子靠近分子主链，从而促进离子迁移并提高整体电导率。然而，满足这一条件可能会破坏分子堆积的有序性，进而对载流子迁移率产生不利影响。因此，在不干扰分子有序堆积的前提下提升载流子浓度，是实现具有高厚度耐受性的阴极界面材料的关键挑战。

针对这一问题，兰州大学张浩力教授/张雅敏教授课题组提出一种分子尺度间距调控策略，用于设计高性能有机太阳能电池用高效n-型聚合物阴极界面材料。该策略的核心在于精准调控n-型有机半导体单元间柔性非共轭间隔基的长度，实现抗衡离子掺杂空间与共轭骨架堆积有序性的平衡，进而制备出同时具有高电子迁移率和高掺杂效率的阴极界面材料，实现阴极界面层的膜厚不敏感特性。

研究团队将该设计理念融入张浩力教授课题组发展的特色基础结构4,5,9,10-芘二酰亚胺（PyDI）中，合成了三种分别以三亚甲基、六亚甲基和九亚甲基为间隔基的n-型聚合物阴极界面材料（命名为P3、P6、P9）。其中，P6凭借平衡的间隔基链长脱颖而出，可形成最优π-π堆积结构，既保留高电子迁移率，又为抗衡离子掺杂提供适宜空间，最终展现出优异的掺杂浓度与电导率。同时，飞秒瞬态吸收证明P6可以有效地促进活性层体异质结内的电荷分离和输运，从而显著提高电荷收集和激子利用效率。

基于P6制备的二元有机太阳能电池光电转换效率突破19.90%，三元器件光电转换效率更是高达20.04%，跻身目前已报道的同类器件最高效率行列。值得关注的是，P6展现出卓越的实用化潜力：当分子量在6.9~33.8kDa范围内时，器件PCE均超19.4%，批次间偏差小于1.5%，具备优异的批次一致性；膜厚增至133nm时，PCE仍达15.51%（约为最优性能的80%），厚度耐受性出色。由于其优良的膜厚耐受性，基于P6的有效面积1.05cm²的大面积器件光电转换效率达17.26%，13.5cm²模组光电转换效率可达15.12%，展现出良好的大面积制备工艺兼容性。

这部分工作发表在J.Am.Chem.Soc（DOI:10.1021/jacs.5c16273）上，兰州大学天然产物化学全国重点实验室萃英博士后孙文静、博士生王娅婷以及南开大学材料科学与工程学院博士生王佳为论文第一作者，张浩力教授、张雅敏教授、阚斌研究员（南开大学）为论文通讯作者。兰州大学天然产物化学全国重点实验室、化学化工学院为论文第一完成单位，上述研究工作得到国家自然科学基金、甘肃省科技重大专项及兰州大学超算平台支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.5c16273

（兰州大学新闻网）