綠色合成法製備聚電解質界面助力高效太陽能電池

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有機太陽能電池單層構造的器件效率已經突破12%，疊層電池的效率也已逼近13%，這一系列的飛速發展，來自於活性層材料開發、器件結構及製備方法、界面等方方面面的協同發展。多數高效太陽能電池的器件結構採用倒裝形式，利用某些金屬氧化物作為界面，這樣可以製備具有較高穩定性的太陽能電池器件。

在不同的金屬氧化物中，ZnO遷移率較高、穩定、透明、容易合成，是一類具有潛力的電子傳輸層。但是，其本身的界面缺陷以及有機/無機界面間接觸較差，這些都限制了電荷的提取以及傳輸效率。這使得在電極處的電荷收集效率大大降低，導致其短路電流及其填充因子都較低。常見解決該問題的思路是在金屬氧化物及電極之間加入一層非常薄的緩衝層，這一層不僅提供了金屬氧化物界面及體相異質結活性層之間的粘結，還可提高從活性層到電極的傳輸。最近，澳大利亞墨爾本大學David J. Jones博士和Wallace W. H. Wong博士等人利用新型的水相Suzuki聚合方法合成了兩種基於聚芴的聚合物PFS-FTEG和PFS-FC，可以提高有機太陽能電池及鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率。該方法簡便環保，可完全在空氣中進行。

通常的合成方法採用中性的前驅體進行聚合，最後再進行離子修飾。但是，這種方法卻有幾個缺點。考慮到有機太陽能電池應用中的可重複性，後聚合修飾必須以非常高的轉換率進行以此形成電子均一的材料。隨著離子轉換反應的進行，非極性部分會離子化，基體的溶解性會發生劇烈變化。最後而且很重要的一點，前驅體傳統的聚合方法常常需要應用有毒的有機溶劑/能量集中的反應條件。相比之下，最理想的合成方法則是在空氣中使用綠色溶劑（水或醇）進行聚合。採用嘧啶配體而不採用空氣中不穩定的三氫化磷配體，這使得目標分子的合成不需要使用有機溶劑，並且完全可以暴露於空氣中。而且，水性溶劑的選擇使得聚合物的單體可以直接離子化。

圖1. 水相Suzuki聚合方法合成目標共軛聚合物PFSFTEG及PFS-FC。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

通過圖1，可以看出具有磺酸鈉基團的單體M1直接與帶有OPEG及酯基的芴的硼酸酯進行聚合就可以得到聚合物PFS-FTEG以及PFS-FC。粗產物只需要進行簡單的透析就可以直接純化。這類聚合物較容易酸化，加入鹽酸可以形成相應的聚酸，大大方便其GPC的分析。

作者隨後將該材料用於倒置有機太陽能電池器件中。器件中以PTB7-TH以及PCBM作為其活性層（圖2b），其各部分材料的能級如圖2b所示。界面層從醇溶液中旋塗到ZnO薄膜上，其厚度為5 nm。如圖二d所示，將ZnO、ZnO/PFS-FTEG以及ZnO/PFS-FC旋塗到ITO基板上在可見光區域具有大於80%的平均透光率。

圖2. a) PTB7-Th及PC71BM的分子結構；b) OPV器件中不同成分的能級圖 ITO/ZnO、ITO/ZnO/PFS-FTEG以及ITO/ZnO/PFS-FC薄膜的光學透光率(c)及其熒光曲線(d)。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

該有機太陽能電池器件採用倒置結構（圖3a），電流-電壓曲線如圖3b所示。只用ZnO作為電子傳輸層可以得到9.7%的效率，與其他文獻報道相仿。而利用了目標分子PFS-FTEG或者PFS-FC之後，器件效率可以分別提高到10.75%以及10.3%。效率的提高主要歸功於短路電流及填充因子的明顯提高，其電流的提高可以通過外量子效率曲線（圖3c）明顯看出。

圖3. a) 倒裝器件的結構示意圖；b) J–V曲線；c) 外量子效率曲線；d) 應用不同界面電池的尼奎斯特曲線。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

同時，作者將陰極界面應用於倒裝鈣鈦礦電池之中，發現在直接應用ZnO作為陰極界面，其最高效率為12%，然而應用PFS-FTEG之後，其效率可以提高到15.1%，填充因子明顯提高，由61%提高到69%。而應用PFS-FC之後，其效率可以提高到13.9%（圖4）。

圖4. a) 鈣鈦礦電池的結構示意圖；b) 應用不同電子傳輸層ZnO、ZnO/PFS-FTEG以及ZnO/PFS-FC的J-V曲線。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

總之，作者利用Suzuki偶聯，在空氣與水相中（沒有利用有機溶劑）製備了兩種新型的聚合物，並成功應用於有機太陽能電池及鈣鈦礦太陽能電池中。我們期待有機太陽能電池的其它材料也可以採用這種簡單且環保的方法來製備。

A Green Route to Conjugated Polyelectrolyte Interlayers for High-Performance Solar Cells

Angew. Chem. Int. Ed.,2017, DOI: 10.1002/anie.201612021

（本文由科研小頑童供稿）

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