福建农林大学材料工程学院绿色光电器件与储能电池研究团队在界面调控高效率有机太阳能电池方面取得系列进展

福建农林大学材料工程学院绿色光电器件与储能电池研究团队欧阳新华教授近期在在生物质酸界面调控高效率有机太阳能电池方面取得系列研究进展，先后在《Chemical Engineering Journal》（JCR Q1区，TOP期刊，IF=16.744），《EcoMat》（JCR Q1区，TOP期刊，IF=12.213，国内卓越领军期刊），以及《Solar RRL》（JCR Q1区，TOP期刊，IF=9.173）等国际国内高质量期刊发表多篇研究性学术论文。

随着“碳达峰·碳中和”政策的快速推行，探索并开发新的能源利用方式已成为全球各国亟待解决的问题，太阳能光伏新能源因其具有无限性、清洁性等优点成为最有希望获得大规模应用的理想能源。太阳能电池作为利用太阳能的重要方式之一，近年来倍受广泛关注和深入研究。有机太阳能电池（OSCs）由于其材料来源广泛、器件制备工艺简单、超薄轻质及可大面积柔性化等特点，在移动电子设备、航空航天和光伏建筑一体化等领域具有广阔的应用前景，成为当前太阳能电池研究的热点与前沿。电极界面修饰层因其具有调控光场分布、改善界面接触、提高电极对载流子的收集，进而实现高效稳定的光伏电池而得到广泛研究。然而，由于非富勒烯受体对其界面修饰层材料提出了新的要求，因此，设计开发适用于非富勒烯受体太阳能电池的高性能界面显得尤为重要。基于前期本研究团队在有机太阳能电池界面开展的工作基础（Nat. Photonics 2015, 9, 520; Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803354; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2001494, Adv. Sci. 202, 7, 1902269; J Mater Chem A 2020, 8, 5442），创新性提出生物质酸界面添加剂和离子双亲盐型界面形貌控制剂的新思想，为开发高性能有机太阳能电池界面提供新途径。

研究工作一

论文中提出了一种基于生物质衍生酸作为有机太阳能电池界面添加剂的设计新思路。通过将生物质衍生酸（草酸、壬二酸、单宁酸）引入至有机太阳能电池阴极界面PDIN中作为添加剂，利用生物质衍生酸与PDIN间的相互作用，调控界面层的结晶结构，优化界面层的形貌；利用生物质衍生酸的链长和分子尺度演变，调控界面层分子的排布，提高载流子在阴极界面层的传输及电极处的收集，实现高效率有机太阳能电池的制备。这一工作不仅对于高性能有机太阳能电池的阴极界面层的研究提供新途径，也为生物质基功能材料的高值化应用开辟新方向。

图1.(a）生物质酸的来源植物；(b）草酸、壬二酸和单宁酸的分子结构；(c）PDIN的分子结构；(d）阴极界面层的制作示意图；(e）电池结构。

论文近期以题目为“Qualified Interlayer Modifier for Organic Solar Cells with Optimized Interfacial Topography and Boosted Efficiency based on Biomass-Derived Acid”发表于国际高质量期刊Chemical Engineering Journal（2022，450，138169）上，论文第一作者为材料工程学院硕士研究生文俊杰和机电工程学院林睿博士，论文通讯作者为福建农林大学欧阳新华教授和胡会超副教授。

研究工作二

生物质材料作为重要的可再生材料来源之一，其原料丰富、价格低廉，对其高效能源化利用对减少碳排放，实现碳中和具有重要的意义。将生物质材料作为有机太阳能电池阴极界面及其添加剂，可为绿色 界面的开发提供新途径。可食用的生物质酸是一种绿色可降解的可再生材料，由于其独特的化学结构可与经典界面材料PDIN相互作用形成三维立体传输网络，有望构建高效率有机太阳能电池界面。

图2.(a) 熊果酸、柠檬酸和苹果酸的来源及分子结构；(b) PDIN的结构及溶解性；(c) 有机太阳能电池结构；(d) 电池效率分布图；(e) 有机太阳能电池活性层分子结构

为了解决这些问题，福建农林大学欧阳新华教授团队利用可食用熊果酸与经典界面PDIN间的相互作用，提出一种环境友好型的阴极界面层修饰的新思路，有助于改善活性层与界面间的接触，有效地降低器件的缺陷态密度，进而提升电极对载流子的收集效率。基于本研究所制备的熊果酸调控PDIN阴极界面，实现了光电转换效率（D18:Y6）为18.54%有机太阳能电池的制备，更为重要的是，通过引入熊果酸作为界面添加剂，提升了电池的稳定性，这一研究结果可为设计和制备用于高效率有机太阳能电池界面提供了新的思路。

该研究工作近期以“Environmentally Friendly Cathode Interlayer Modification on Edible Bio-acids with Enhanced Electron Extraction and Improved Power Conversion Efficiency”为题发表在国际高质量期刊、国内卓越领军期刊EcoMat (10.1002/eom2.12318)上，论文的第一作者为福建农林大学文俊杰和林睿博士，福建农林大学欧阳新华教授、叶大鹏教授和南昌航空大学谢宇教授为论文通讯作者。

研究工作三

论文提出基于非共轭有机小分子离子双亲盐作为阴极界面修饰层形貌控制添加剂的设计新思想，通过设计合成两种新颖的非共轭小分子离子双亲盐（MPBS和MPPS），利用非共轭小分子双亲盐中阴阳离子与经典阴极界面PDIN分子间的静电相互作用，改善阴极界面层的形貌，提升电子在界面层间的传输，抑制界面处载流子的复合、提高电极的载流子收集效率，实现了高效率有机太阳能电池的制备。

图3.（a）器件结构；三维立体分子结构，（b）MPBS（c）MPPS，（d）PDIN；（e）基于双亲盐阴极界面电子传输示意图；（f-g）MPBS与PDIN间的静电作用；（i）PDIN分子π-π堆叠示意图；（j）MPBS分子对电子的提取示意图。

该研究工作近期以题目为“Semi-crystalline Cathode Interlayer based on Morphology Control Additives using Non-conjugated Small-molecule Zwitterions for Efficient Organic Solar Cells” 发表于国际高质量期刊Solar RRL上。论文第一作者为福建农林大学材料工程学院硕士研究生文俊杰，论文通讯作者为福建农林大学欧阳新华教授、胡会超副教授、林睿博士，以及南昌航空大学谢宇教授。

以上研究受到国家自然科学基金、福建省杰出青年基金、福建省百人计划项目、福建省财政厅有机光伏电池研究专项、福建农林大学创新专项基金项目等的共同资助。

来源：福建农林大学

编辑：黄灵箫

审核：王晓锋