ChemSusChem：不对称结构的酰亚胺电子传输层在有机太阳能电池界面中的应用

中国海洋大学材料科学与工程学院孙明亮教授、代水星副教授和化学化工学院于良民教授通过在酰亚胺的苯环单元上引入胺基侧链，设计并合成了一系列不对称的酰亚胺小分子电子传输层材料（NA、NAA和NEA），将其应用在有机太阳能电池的阴极界面上。

相对传统的硅基光伏技术，采用有机半导体材料制造的光伏组件能够实现轻薄化、柔性化和半透明化，其将可能应用于可穿戴设备、建筑光伏和新能源汽车等领域，这种新型有机半导体材料与器件为光伏技术带来了更多的应用场景。目前有机太阳能电池的光电转化效率（PCE）已经超过18%，但是高质量、低成本且易大面积涂覆的界面材料仍是实现商业化应用的关键环节之一。有机太阳能电池阴极界面材料必须有利于实现器件中有效电荷转移和各层材料能级匹配。同时为满足规模化应用要求，界面材料必须制备成本低，并且界面层在器件制备过程中对膜厚度要求并不苛刻。

苝酰亚胺分子是一种经典的N型有机半导体小分子，出色的电子传输性能使其成为有机太阳能受体中的一员。但其较大的分子平面，很容易导致分子聚集，影响电池光伏性能和稳定性。作者的前期研究发现，扭曲分子平面可以有效改善分子聚集（Dyes and Pigments 2015, 114, 283-289；Polym. Chem. 2015, 6, 5254-5263）。基于此，代水星副教授提出了将苝酰亚胺分子“一分为二”的策略，设计合成了一系列具有不对称结构的酰亚胺小分子电子传输材料，并探讨不同取代侧链对酰亚胺小分子修饰层光电性能的影响。实验发现，与不含胺基侧链的NA相比，含3-二甲氨基丙胺和乙二胺侧链的NAA和NEA分子吸收光谱明显红移，带隙（Eg）减小，且具备更高的最高占据分子轨道（HOMO）能级。在最优的器件参数下，NEA作为电子传输层的PM6:Y6基电池器件的功率转换效率达到了15.04%，同时具备高的开路电压（VOC）和填充因子（FF），PM6:Y6:IT-M基三元器件的PCE达到了最高的15.80%，其中NEA具有最高的电子迁移率以及低电极功函，并且其作为器件的阴极界面材料对膜层厚度依赖性并不强。研究还发现，这类结构简单的不对称结构的酰亚胺小分子具有较好的溶液稳定性和薄膜热稳定性。这对于未来有机太阳能电池规模化发展具有良好的研究价值和应用潜力。

论文信息：

Aminonaphthalimide-Based Molecular Cathode Interlayers for As-Cast Organic Solar Cells

Yong Zhao, Yang Liu, Xiaojie Liu, Xiao Kang, Prof. Liangmin Yu, Prof. Shuixing Dai, Prof. Mingliang Sun

文章第一作者为中国海洋大学博士研究生赵勇。

ChemSusChem

DOI: 10.1002/cssc.202101383