Angew. Chem. ：高偶极矩自组装单分子层实现高效稳定的正型有机太阳能电池

有机太阳能电池具有重量轻、械柔韧性好、半透明等特性，在有机电子器件领域备受关注。随着新材料的开发以及器件工艺的优化，有机太阳能电池的转换效率（PCE）已经超过19%。值得一提的是，这些高效率器件的制备十分依赖聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）作为空穴传输层（HTL）。但是，PEDOT:PSS的亲水性和强酸性造成了器件稳定性的大幅衰减，以致诸多有机太阳能电池稳定性的研究都采用反型结构器件，目前正型有机太阳能电池尚难实现效率和稳定性的兼顾。

为解决上述问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义研究员/杨道宾副研究员团队采用不对称分子设计策略，设计合成了高偶极矩自组装单分子层（SAM）材料作为HTL，用于实现高效稳定的有机太阳能电池。

通过密度泛函理论计算，构建了高偶极矩自组装单分子层（SAM）材料，BrCz（μ=3.25 D）和BrBACz（μ=4.32 D）。通过紫外吸收光谱、紫外光电子能谱、X射线光电子能谱、原子力显微镜、接触角测量等表征手段，清楚地解析自组装分子的结构与光物理性能的关系。研究表明，与ITO/PEDOT:PSS相比，ITO/BrBACz具有更高的透过率，有助于活性层捕获更多的太阳光；ITO/BrBACz具有更低的功函数，有助于改善空穴提取能力；ITO/BrBACz具有良好的疏水性，有助于改善器件的空气稳定性，降低界面电阻和载流子复合。因此，以 PM6:eC9为光活性层、以 BrBACz 为空穴传输层的正型有机太阳能电池实现了19.7%的效率，创下了二元有机太阳能电池效率的最高纪录。

更重要的是，以BrBACz为空穴传输层的正型有机太阳能电池表现出极好的空气稳定性，未封装器件在湿度40±5%条件下，放置1036小时后仍然可保留其初始效率的95%。然而，同等条件下，以PEDOT:PSS为空穴传输层的正型器件，在放置300小时后就衰减了60%的效率。此外，自组装分子BrBACz在多个高效率光活性层体系中都展现出良好的普适性，如PM6:Y6，PM6:L8-BO和D18:eC9，光伏效率均得到大幅提高。综上所述，该研究提出了一种不对称分子设计策略，可以有效调节自组装分子的偶极矩和疏水性，从而实现高效且稳定的正型有机太阳能电池。

论文信息

Self-Assembled Molecules with Asymmetric Backbone for Highly Stable Binary Organic Solar Cells with 19.7 % Efficiency

Xueliang Yu, Pengfei Ding, Prof. Daobin Yang, Pengyu Yan, Hongqian Wang, Shuncheng Yang, Jie Wu, Prof. Zhongqiang Wang, Dr. He Sun, Zhenyu Chen, Dr. Lin Xie, Prof. Ziyi Ge

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202401518