采用新颖的两性共轭小分子材料作为阴极界面修饰层来提升聚合物和钙钛矿太阳能电池的性能

Both polymer (PSCs) and perovskite solar cells (Pero-SCs) have attracted considerable scientific and industrial attention due to their potential for low cost, light-weight, flexible and large-area energy conversion devices. Interfacial engineering plays a pivotal role in the development of PSCs and Pero-SCs to improve the device efficiency and stability. One catalog of materials, ionic molecules have been used and shown their merits as interfacial materials. Especially, the unique ionic properties of aromatic zwitterions have attracted our attention. Therefore, this project intends to improve the photovoltaic performance of PSCs and Pero-SCs by employing conjugated zwitterionic small-molecule electrolytes (C-ZSMEs) as cathode buffer layers (CBLs). It will be interplaying between solar cell device performances and the structural properties of selected C-ZSMEs, such as the size of the π system, the symmetry of the molecules, and the shape and size of the side chains. The study includes the following aspects: (1) design and synthesis of novel water/alcohol soluble C-ZSMEs; (2) the effects of structures of C-ZSMEs on the work function of the electrodes; (3) the fabrication and optimization of solution-processable PSCs and Pero-SCs, and (4) the interrogation of the device data and the redesign of C-ZSMEs materials.

聚合物（PSCs）和钙钛矿太阳能电池（Pero-SCs）由于具有成本低、重量轻、可制备柔性大面积器件等潜力，引起了科研和工业界的广泛关注。界面工程对于提升PSCs 和Pero-SCs的效率及其稳定性发挥了至关重要的作用。芳香族两性离子材料由于其独特的离子特性，是一类很有发展潜力的界面修饰材料。本项目拟采用两性共轭小分子（C-ZSMEs）作为阴极界面修饰层（CBL）来改善PSCs 和Pero-SCs的光伏性能。C-ZSMEs的结构特征，如π共轭体系的大小、分子的对称性、侧链的形状和大小等，极大影响着电池的性能。本项目拟研究的内容包括以下几个方面：（1）设计并合成新颖的水/醇溶性C-ZSMEs材料；（2）研究C-ZSMEs的分子结构对电极功函数的影响；（3）制备并优化PSCs 和Pero-SCs的器件性能；（4）根据器件性能的反馈，对C-ZSMEs材料进行重新设计和优化。

有机太阳能电池（OPV）和钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为清洁能源的代表之一，展现出了优异的光电性能，吸引了众多研究人员的关注。近年来，OPV和PSCs的功率转换效率(PCE)已经突破20%和25%，其中，界面修饰层作为OPV和PSCs中不可或缺的一环可以有效调节电极的功函数，促进电子和空穴的传输，从而提高电池的性能。本项目采用阴极界面修饰层（CBL）来提高OPV和PSCs的性能。一方面，我们设计并合成了共轭两性离子材料（命名为ZW-Bu）作为OPV的CBL。ZW-Bu CBL应用于P3HT:PC61BM基的倒置型PSCs中，器件效率达到了3.92%，高于传统ZnO CBL的器件效率（3.51%）。为了研究ZW-Bu CBL是否具有普适性，我们将其应用于 PTB7-Th:PC71BM和PTB7-Th:ITIC的活性层体系中，器件效率均高于ZnO作为CBL的器件效率。另一方面，我们通过使用KAc作为界面修饰层来修饰n-i-p结构CsPbI2Br PSCs的电子传输层SnO2来提高器件的光伏性能。经过KAc界面修饰后的n-i-p结构CsPbI2Br PSCs的获得了15.7%的PCE，相对于没有界面修饰的器件的12.9%的PCE，有明显的提升。