袁帅+宋爽
摘 要：聚合物太阳能电池的技术经历了三十多年的研究，目前在阴极界面修饰层材料方面有了长足发展，光电转换效率得以不断提高。同时，有关其阴极界面修饰材料的作用机理探讨也在不断深入。
关键词：聚合物太阳能电池；界面修饰；光电转换效率
引言
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，具有储量大、分布广、灾害系数低等特点，是当前新能源开发利用的重点。光伏太阳能电池作为一种高效的太阳能利用产品，应用前景不容小觑。在太阳能电池市场中，目前占主导的是无机硅基太阳能电池。然而有机太阳能电池具有全固态、光伏性能可调范围宽、半透明、可制成柔性器件以及可大面积印刷生产等优点，受到了越来越多的关注。
当前，围绕聚合物太阳能电池的热点研究方向之一，即是通过改良界面修饰层减小电荷分离/收集的障碍以形成欧姆接触提升光电转换效率（PCE）。本文总结了最近几年不同结构的阴极界面修饰材料以及作用机制的最新研究进展。
1 聚合物太阳能电池阴极界面修饰材料
目前，已报道的聚合物太阳能电池阴极界面修饰材料，主要包括：非共轭有机阴极界面修饰材料和π共轭有机阴极界面修饰材料。
一方面，非共轭有机阴极界面修饰材料包括：由美国佐治亚理工大学的Bernard Kippelen课题组发现的饱和胺类聚合物[1]；由哈尔滨工业大学深圳研究院的邓先予课题组获得的氨基酸多肽[2]；由中国科学院宁波材料研究所葛子义课题组报道的季铵磺酸盐两性离子[3]。
另一方面，π共轭有机阴极界面修饰材料包括：由四川大学彭强课题组设计合成的基于芴的共轭小分子[4]；由中国科学院化学所王吉政课题组报道的 酰亚胺衍生物[5]；马萨诸塞大学安姆斯特分校Todd Emrick课题组获得的萘酰亚胺衍生物等[6]。
2 界面修饰层的工作机制
目前，针对界面修饰材料在界面层发挥作用的机理较为通用的解释是：极性的界面修饰材料分子在电极表面定向排列产生了界面偶极，影响了相邻的金属内部电荷的分布，从而降低了金属的费米能级，但是对这一过程的研究一直缺乏有力的实验证据。最近，这一困扰已久的问题有了一些突破。
2014年，日本千葉大学Yasuo Nakayama课题组利用低能紫外光电子谱和光电子产生光谱对有机聚合物太阳能电池活性层与界面层之间的电子传输过程进行了深入的研究，提出了态密度模型。[7]他们发现在这些有机薄膜的能隙区域存在微弱的态密度分布，在活性层与电极之间产生了能带弯曲，降低了电子或空穴的传输能垒。
2015年，日本千叶大学Hiroyuki Yoshida课题组利用低能逆光电子能谱技术第一次揭示了电子如何从界面修饰层传递到电极表面[8]。他们以银电极和2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲 啉（BCP，21）修饰层为研究对象，发现了银电极与BCP之间强烈的相互作用，使得银-BCP复合物的最低未占据电子轨道（LUMO）与银的费米能级一致，说明了这一电子传递过程是发生在界面层与电极复合物所形成的LUMO轨道上的。
3 结束语
目前，世界有机太阳能技术在逐步提高，未来有机太阳能电池的光电转换效率有望突破15%的大关。当然，实现这一目标需要国内外有机太阳能电池领域的研究人员一起努力，开发出性能更优秀的活性层材料和界面修饰材料，同时解决电池寿命短和耐久性差的问题，推动有机太阳能电池的领域不断向前发展，最终实现商业化，解决人类所面临的能源短缺问题，为我们的日常生活需求带来方便。
参考文献
[1]Zhou Y H， Hernandez C K， Shim J， et al. A universal method to produce low-work function electrodes for organic electronics[J].Science，2012，336（6079）：327-332.
[2]Nie R M， Li A Y， Deng X Y. Environmentally friendly biomaterials as an interfacial layer for highly efficient and air-stable inverted organic solar cells[J].Journal of Materials Chemistry A，2014， 2（19）：6734-6739.
[3]Ouyang X H， Peng R X， Ai L， et al. Efficient polymer solar cells employing a non-conjugated small-molecule electrolyte[J].Nature Photonics，2015，9（8）：520-524.
[4]Wang Z G， Li Z J， Xu X P， et al. Polymer solar cells exceeding 10% efficiency enabled via a facile star-shaped molecular cathode interlayer with variable counterions[J].Advanced Functional Materials，2016，26（26）：4643-4652.
[5]Zhang， Z G， Qi B Y， Jin Z W， et al. Perylene diimides： a thickness-insensitive cathode interlayer for high performance polymer solar cells[J].Energy & Environmental Science，2014，7（6）：1966-1973.
[6]Liu Y， Page Z A， Russell T P， et al. Finely tuned polymer interlayers enhance solar cell efficiency[J].Angewandte Chemie International Edition， 2015， 54 （39）： 11485-11489.
[7]Nakayama Y， Nguyen T L， Ozawa Y， et al. Complete demonstration of the valence electronic structure inside a practical organic solar cell probed by low energy photoemission[J].Advanced Energy Materials，2014，4（7）：1301354.
[8]Yoshida H. Electron transport in bathocuproine interlayer in organic semiconductor devices[J].The Journal of Physical Chemistry C， 2015， 119 （43）： 24459-24464.
作者简介：袁帅（1988-），女，湖北武汉，助理工程师，硕士，主要从事光伏发电技术研究，工作单位：武汉船用电力推进装置研究所。
