基于《共轭聚电解质应用于聚合物太阳能电池阴极界面层》的教学理论探讨

史月琴 李红霞

摘要：聚合物太陽能电池由于其质轻、价廉和可大面积生产等优点而备受学术界关注。活性层材料、活性层形貌和器件结构的界面调控对于提高电池性能至关重要。主要对共轭聚电解质做聚合物太阳能电池阴极界面层的结构设计和光电性能的探讨，优异的界面材料能够改善活性层和电极的接触界面能级，使得更利于电荷在阴极的提取和收集，最终提高器件的光电转换效率和稳定性。通过对共轭聚电解质结构设计和光电性能的学习有利于更好地设计出更高效率的聚合物太阳能电池。

关键词：聚合物太阳能电池；阴极界面；共轭聚电解质；高效率

中图分类号：G420 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）35-0169-02

随着我国经济的快速增长，能源需求逐年上升，能源进口量也逐年增加。而我国能源以煤炭为主，由此带来的能源安全和环境问题也日益突出。从能源安全、减少污染、改善生态环境和立足世界资源诸多方面考虑，开发利用安全、可靠、清洁的新能源和可再生能源——太阳能，已成为世界关注的热点课题，也是我国长期发展的重要武器。基于共轭聚合物的光伏电池具有和传统无机半导体太阳能电池相同的最高理论转换效率，但是目前所开发的聚合物太阳能电池效率普遍还比较低，且性能还不稳定。但是聚合物太阳能电池[1-3]却具有重量轻，可用湿法成膜的廉价大面积制造技术以及良好的可塑性，更重要的是，通过分子设计和合成新型半导体聚合物或有机分子，可以容易地调控器件的性能，基于这些独特的优点，聚合物太阳能电池成为近年来最热门的研究领域之一。[4-6]

在聚合物太阳能电池中光电效应过程是在活性层中产生的，共轭聚合物吸收光子以后并不直接产生可自由移动的电子和空穴，而产生具有正负偶极的激子（excition）。激子只有迁移到异质结界面才能分离，形成自由载流子。分离后的自由电子在A相中进行输运，自由空穴则在D相中（共轭聚合物链段）进行输运，再经具有不同功函数电极收集，这种传递的驱动力来自阴极和阳极的电势差，实现有机聚合物太阳能电池的发电。进一步优化太阳能电池器件性能的方法主要包括设计合成新型光活性层材料以及制备更加高效的器件结构，而器件结构中的界面调控对于提高太阳能电池器件的光电转换效率及稳定性至关重要。界面调控通常被用来提高电荷在相应电极上的可选择性收集，降低电荷在电极上收集的位垒。为了提高电荷在相应电极上的可选择性收集，降低电荷在电极上收集的位垒，空穴传输层的功函应该要与活性层中电子给体的HOMO能级匹配，电子传输层的功函要与活性层中受体的LUMO能级匹配。置于阳极和活性层间空穴传输层以及阴极和活性层间的电子传输层的引入更能获得高效率和稳定的有机太阳能电池。这些空穴和电子传输层（界面层）具有如下的功能：（a）减少电荷收集的位垒；（b）选择性地收集一种电荷载流子，阻碍相反电荷载流子；（c）提高电极与活性层间的界面稳定性；（d）修饰界面性质及改变活性层的形貌；（e）形成界面偶极有利于电池器件更好的能级匹配。因此，活性层与相应电极间的界面修饰对电荷在相应电极上的收集和器件性能至关重要。

为了电子的有效提取，阴极的界面材料最好是有一个较低的功函接触，通过插入LiF或其他化合物（碱金属或碱土金属氧化物和卤化物）在金属铝和活性层之间，能形成很好的欧姆接触，降低了电子传输能垒，从而增大了电子的迁移率，提高了电池的效率。除此之外，由于金属氧化物ZnO、TiO2等半导体具有便宜、可加工性能和无毒的优点，常常被用于光伏器件的电子受体和电子传输层。近来共轭聚电解质（CPEs）广泛地应用于聚合物太阳能电池器件的阴极界面层。

如图所示，CPEs是由共轭的主链和带离子功能团侧链组成的。共轭主链赋予其中性共轭聚合物的离域的电子结构，离子侧链使其能实现环境友好型溶剂的加工，例如，水和甲醇溶剂，因此，CPEs能实现多层电子器件的制备。同时，因为离子的存在是实现电子功能的关键，离子的移动能够重新分配器件内部的电场，它还可以获得一致的有机/金属界面偶极层，有效地改善了电极的功函数，这使其广泛应用于有机电子器件，如有机太阳能电池、场效应晶体管、有机发光二极管和热电的应用。

CPEs的光电性能受多个因素的影响。CPEs的共轭主链对其光电性能影响大，因为优异的吸光范围和电子传输性能，聚芴型类主链共轭聚电解质是常用的聚电解质。含苝二酰亚胺、二酮吡咯并吡咯、苯并噻二唑和苯并噻三唑等缺电子杂环主链结构单元的聚合物在有机电子设备中能提供n-型的电荷传输行为，且其强的电子亲和力也被证明是高性能聚合物太阳能电池材料中最有前途的受体单元之一，此类缺电子结构单元也被作为受体段用于D-A共轭聚合物中，这类共轭聚合物可用于高效率非富勒烯聚合物太阳能电池中。[7-8]理论上是理想的阴极界面修饰层，即电子传输层，但是该类含电子缺失共轭单元主链的共轭聚电解质的合成较难。[9]相比之下，苯并噻二唑和苯并噻三唑等缺电子杂环主链结构单元的共轭聚电解质的合成可行性较为乐观。以苯并噻二唑和苯并噻三唑主链结构单元的共轭聚电解质由于它们较强的电子亲和力而备受关注，然而有文献报道表明基于苯并噻二唑和苯并三唑共轭主链的聚合物的溶解性极差，且其分子量很低（一般<5000g/mol）。[10]另外，以苯并噻二唑和苯并噻三唑结构单元主链的共轭聚电解质的光电性能单从其分子结构很难预测，因为它还依赖于其溶液状态的分子聚集态，即使溶液溶度很低，低至1mg/ml的聚合物太阳能电池界面层溶液，其聚集态变化有时也是复杂的。[9-10]CPEs离子侧链的引入通过影响聚合物链内堆积能影响单链的电子离域和分子间的有序排列。另外，溶液中的聚集态和固态的形貌皆影响材料的光电应用。CPEs的光电性能主要依赖于溶液和固态的分子聚集态，单从分子结构考虑还是欠缺的。

结语

近年来，聚合物太阳能电池备受关注，研究内容主要是通过活性层结构设计、活性层形貌调控和器件结构的界面优化等来提高聚合物太阳能电池性能。本文主要探讨阴极界面层的共轭聚电解质的结构设计和光电性能与聚合物太阳能电池性能的关系。

參考文献：

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