有机太阳能电池（OSCs）凭借其重量轻、灵活性强、柔性高、可大面积制备等优点作为新兴能源迅速成为近年来研究热点之一。一直以来，相关研究人员也致力于开发高性能，环保型的OSCs器件，并提出了一系列策略用以提高光电转换效率（PCE）和稳定性，例如合成新型给受体材料，优化电池工艺和引入电子传输层等。其中，电子传输层在整个器件中扮演着至关重要的角色。

图1 有机太阳能薄膜电池

图2  有机太阳能电池工作原理图

当来自太阳的光子被OSCs中的活性层吸收时，供体材料中的电子被激发到激发态，并且在电子保持被吸引的基态中形成空穴，电子再从给体扩散到受体材料，到达电子传输层和活性层的界面，最后传输到电极上。这个过程是提高OSCs效率的重要手段之一。它需要相邻材料的能级匹配，并且有利于载流子跃迁和传输，能有效降低载流子的复合率。由于OSCs的活性层成分为有机物，因此一般最常用的无机电子传输层材料（最常用的是ZnO）就不是最理想的传输层材料，它在一定程度上限制了OSCs性能的提高。由此，相比于无机电子传输层，有机电子传输层具有较高电子亲和能，易于改性和修饰，更易与活性层形成接触，促使能级匹配，从而有利于电子扩散，提高器件效率。

图3 PDIN与PDINO合成路线与性能分析

PDI型分子作为电子传输层材料在OSCs领域中受到了较NDI更为广泛的关注。早在2014年，中科院化学研究所李永舫&王吉政课题组就共同报道了两种基于PDI的小分子电子传输层材料：PDIN与PDINO，这两个结构主体相同微小的区别在于末端取代基为叔氨基或叔氨基氮氧化物^[1]。由于PDI单元固有的扩展型平面结构，两种新型电子传输层材料均可达到10-5 S cm^-1的高电导率，这使得它们在6-25 nm的较宽厚度范围内仍能够有效工作。这项研究第一次报道了对厚度不敏感的小分子型电子传输层材料。相关研究成果最终发表在《Energy & Environmental Science》上。

图4 有机太阳能电池的器件构型以及PDINN的合成路线和氢键作用示意图

2020年北京化工大学张志国教授等与中科院化学所李永舫院士在Nature Communications^[2]上发表了题为“Cathode engineering with perylene-diimide interlayer enabling over 17% efficiency single-junction organic solar cells”的研究论文，报道了一种含有氢键作用的苝酰亚胺类材料的新型阴极界面材料（PDINN，分子结构见图），研究发现通过适当的分子间相互作用调控界面兼容性是提高有机光伏器件性能的可行途径。与PDINO相比，PDINN与非富勒烯活性层的接触性更好，电极界面稳定性增强，电导率更高，同时还原金属阴极的功函数的能力更强，这使其更适合用作电子传输层材料。此外，PDINN原料廉价，可以由一步反应大批量合成。因此，PDINN可以作为OSC的低成本高性能电子传输层材料，有极大希望应用于OSCs的未来大规模商业化生产之中。

参考文献：

[1] Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1966-1973.

[2] Nat Commun. 2020, 11, 2726.

文章中涉及材料