用于高分子太阳能电池的高功函氧化石墨烯阳极界面材料

Hole/Electron extraction layer materials are crucial for the device performance of the polymer solar cells. However, owing to the stringent and multiple requirements of hole-extraction layer (HEL), it is difficult to tune the properties of classical hole-extraction layer materials to meet the requirements. In this project, we aim to develop high work-function graphene oxide (GO) as HEL to fabricate high-performance polymer solar cells. Our approach is to incorporate electron-withdrawing groups into GO to improve the work function, attach solubilizing groups to guarantee the solution-processibility, reduce the carbon basel plane for good conductivity, and introduce metallic nanoparticles for plasmonic absorption enhancement. The resulting GO derivatives should be a novel kind of hole-extraction layer materials and should afford excellent device performance.

开发电极界面材料是提升高分子太阳能电池器件性能的重要途径，目前已有的电极界面材料体系结构难以修饰，性质难以调节，难以满足电极界面材料多方面综合的要求。本项目旨在开发高功函氧化石墨烯阳极界面材料，并有效调控其多方面性质，结合高效高分子给体材料，制备高性能高分子太阳能电池器件。其途径是在氧化石墨烯上引入拉电子单元以提高功函，引入致溶基团以保证溶液加工性，还原碳骨架以实现高导电率，引入重金属纳米粒子以增强活性层光吸收，从而协同满足阳极界面材料多方面的要求。该研究将一方面拓展高分子光电器件界面材料新体系，另一方面为发展高性能高分子太阳能电池提供研究基础和材料保障。

作为界面材料，氧化石墨烯的含氧官能团种类多，化学修饰难以完全，性质难以调控，且尺寸较大，片层间容易堆积，导致成膜性差，不能对基底均匀覆盖，最终无法实现高性能器件。针对以上问题，本项目开发出边缘羧基化的小尺寸石墨烯量子点电极界面材料，其平面上没有羟基或环氧键，边缘有大量的羧基，通过对羧基进行化学修饰，我们实现了功函的大范围调节，开发出适合于高效高分子太阳能电池体系的高功函的阳极界面材料和低功函的阴极界面材料。其中，高羧基含量的石墨烯量子点阳极界面材料的功函可达5.26 eV，比氧化石墨烯高约0.25 eV，且表现出良好的成膜性，用于PCDTBT:PC71BM和PTB7:PC71BM正置器件时，效率分别为6.30%和7.91%，高于氧化石墨烯和PEDOT:PSS界面层。胺基功能化的石墨烯量子点阴极界面材料，可通过界面偶极作用降低Al、Ag、Au等多种金属电极的功函，用于正置器件时，性能明显优于LiF、Ca、ZnO等常用阴极界面层，用于PTB7-Th:PC71BM体系时，器件效率可达8.80%。随碱金属原子序数增加，碱金属离子修饰的石墨烯量子点功函功函从4.47 eV降至4.03 eV，基于钾、铷、铯的石墨烯量子点作为阴极界面层用于倒置器件，器件性能与经典阴极界面材料ZnO相当。该项目不仅开发出一类新的用于高分子光电器件的石墨烯量子点电极界面材料体系，还为石墨烯类界面材料的化学修饰和功能化提供了一定的研究基础。