第一作者：郑颖聪

通信联系人：李鸿祥，程沛

单位：四川大学

文章重要内容

        四川大学程沛研究员团队基于一种新的自组装小分子氯菌酸(6C2A)作为有机太阳能电池(OPV)的阳极界面层(AIL)，并通过刮涂法制备了基于PM6:BTP-eC9活性层的二元单结正向OPV器件。相较于PEDOT:PSS，使用6C2A作为OPV的AIL不仅在器件的能量转换效率上有所提高，同时在空气中的稳定性也有所改善。本工作中使用的原位自组装制备方法也适用于大面积器件的制备，可以有效简化器件制备工艺，缩短生产时间，为未来的大面积高通量制备提供了新的思路。

文章背景

       目前OPV领域的研究主要集中在使用旋涂法制备小面积器件上，然而该方法在大面积器件的制备中的兼容性并不好。并且OPV领域里最常使用的阳极界面层PEDOT:PSS存在着易吸湿，价格昂贵，长期使用易腐蚀ITO等问题。基于此，四川大学程沛研究员团队提出了一种新的自组装阳极界面层6C2A，并通过刀片刮涂的方法制备了高性能OPV器件，最后探索了该阳极界面层在大面积器件中的应用潜力。

文章概述

        四川大学程沛研究员团队提出的6C2A自组装小分子是具有6个氯原子，2个羧基和1个桥环的小分子结构，其中羧基扮演了锚定基团的角色(图1a)。文章首先表征了6C2A阳极界面层的物理性质，通过XPS表征证明了6C2A成功结合到ITO表面(图1b,1c)。此外6C2A的光学透过率高于PEDOT:PSS(图1d)，表明6C2A界面层更有利于降低寄生吸收，从而增加光生激子的数量。

图1 (a) 6C2A的化学结构式; (b) ITO和ITO/6C2A的XPS谱图; (c) ITO和ITO/6C2A的In 3d峰和Sn 3d峰的详细XPS谱图; (d) PEDOT:PSS和6C2A的光学透过率谱图; (e) ITO/PEDOT:PSS和ITO/6C2A的KPFM图像。

文章进一步通过KPFM测试得到了ITO/PEDOT:PSS和ITO/6C2A的接触电势差，并以此计算了各自的功函数，绘制了ITO，ITO/PEDOT:PSS，ITO/6C2A，PM6，BTP-eC9和Ag的能级图(图2a)，结果显示，ITO/6C2A与活性层显示出良好的能级排列，这对于空穴传输是至关重要的。进一步，基于PEDOT:PSS和6C2A，作者团队制备了PM6:BTP-eC9的二元OPV器件，结果显示，基于6C2A的器件在短路电流密度(J_SC)和能量转换效率(PCE)上都高于基于PEDOT:PSS的器件(图2c,2d)。此外，6C2A表现出良好的空气稳定性，ITO/6C2A在空气中放置72h后，基于其的器件性能保持在未暴露在空气中时的97%以上，这一结果显著优于PEDOT:PSS(图2e)。

图2 (a) ITO，ITO/PEDOT:PSS，ITO/6C2A，PM6，BTP-eC9和Ag的能级图; (b) PM6和BTP-eC9的化学结构式; (c) AM1.5G光照下(100 mW·cm⁻²)，基于PEDOT:PSS和6C2A的OPV器件的J-V曲线和(d) 对应器件的EQE谱图; (e) ITO/PEDOT:PSS和ITO/6C2A在相对湿度为25%的空气中老化后的OPV器件的效率变化图。

文章进一步表征了不同薄膜的水接触角和二碘甲烷接触角(图3a)，并通过OWRK模型计算了各自的表面自由能。结果表明，6C2A的表面自由能高于PM6和BTP-eC9，这使得6C2A在混合溶液中具有自发向下迁移的趋势，这是6C2A能够实现原位自组装成膜的关键驱动力。随后，文章对基于6C2A和PEDOT:PSS界面层的活性层进行了AFM表征(图3b)，基于两种阳极界面层的活性层显示出相似的表面粗糙度。进一步使用GIWAXS对PM6:BTP-eC9和6C2A:PM6:BTP-eC9薄膜进行了表征(图3c,3d)，发现将6C2A引入到活性层中对原本的分子堆积和取向几乎不会产生影响。通过以上形貌表征，发现基于6C2A的活性层可以保持原有的表面形貌以及分子堆积和取向。

图3 (a) PM6，BTP-eC9和6C2A的水和二碘甲烷接触角; (b) ITO/PEDOT:PSS/PM6:BTP-eC9和ITO/6C2A:PM6:BTP-eC9的AFM高度图像; (c) PM6:BTP-eC9和6C2A:PM6:BTP-eC9薄膜的2D GIWAXS图像; (d) PM6:BTP-eC9和6C2A:PM6:BTP-eC9薄膜沿IP和OOP方向的GIWAXS一维线图。

最后基于该材料使用原位自组装成膜方法制备了2cm²的有机太阳能电池器件，不仅在器件效率上高于基于PEDOT:PSS的器件，同时其法避免了额外阳极界面层的制备和后处理步骤，显著简化了生产流程并缩短了器件制备周期。鉴于6C2A的成本较PEDOT:PSS更低， 6C2A在实际生产中展现出比传统PEDOT:PSS更高的应用潜力。

本文为“能源高分子材料”专辑特约稿件，上述工作即将以研究论文形式发表在《高分子学报》。论文第一作者为四川大学硕士研究生郑颖聪，通信联系人为李鸿祥副研究员和程沛研究员。

引用本文：

郑颖聪, 严岑琪, 何韦, 李鸿祥, 龚钰扉, 胡颖玥, 王嘉宇, 薛启帆, 孙会靓, 孟磊, 李永舫, 程沛.基于氯菌酸自组装单分子层的大面积有机太阳能电池.高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2024.24312Zheng, Y. C.; Yan, C. Q.; He, W.; Li, H. X.; Gong, Y. F.; Hu, Y. Y.; Wang, J. Y.; Xue, Q. F.; Sun, H. L.; Meng, L.; Li, Y. F.; Cheng, P.Large-area organic photovoltaics based on chlorendic acid self-assembled monolayer.Acta Polymerica Sinica, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2024.24312