探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 024

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

024 界面层的“和事佬”角色：为何它不可或缺？ 2025-10-07

有机太阳能电池中，界面层扮演着不可或缺的“和事佬”角色。它就像一位聪明的协调者，置身于有机活性层和金属电极这两位“同事”之间，通过调节能级匹配、促进电荷传输、减少界面复合，让原本可能“合不来”的部件高效协作，共同将太阳能转化为电能。

有机光伏电池中的“和事佬”：界面层

1 界面层：多面手的角色

在有机光伏电池中，界面层需要扮演多个关键角色来提升电池的性能和稳定性：

能级匹配师：通过形成界面偶极层，调节电极的功函数，使电极与活性层之间的能级对齐更为顺畅。这就像是给两位沟通有障碍的同事充当翻译，确保信息（电荷）能够高效、准确地传递。

电荷传输指挥家：界面层能选择性提取电子或空穴，同时阻挡相反的电荷，有效抑制电荷在界面处的复合损失。好比一位指挥家，确保乐团中不同的乐器（电子和空穴）按时、正确地演奏。

形貌优化师：一些界面材料能通过自组装特性，诱导活性层形成更理想的相分离形貌，优化给体与受体的分布。这就像一位整理大师，优化工作空间，让后续工作更高效。

稳定性守护者：界面层能阻隔水、氧等对活性层和电极的侵蚀，同时抑制电极与活性层之间的不利化学反应，从而提升器件的使用寿命。


2 界面层的材料与设计策略

界面层的性能与其材料设计和结构紧密相关。
常见的界面层材料类型

根据化学成分和特性的不同，界面层材料主要可分为以下几类：

材料类型 代表材料 特点 适用场景
无机界面材料 氧化锌（ZnO） 高电导率、稳定性好，但薄膜均匀性有时不佳 常用于阴极界面层
有机聚合物/小分子 PNDIT-F3N, PFN, Phen-NaDPO 溶液可加工性、能级易调控，可通过分子设计实现特定功能（如自组装） 适用于高速印刷工艺的阴极或阳极界面层
有机-无机复合界面 AZnO-F3N（PNDIT-F3N + 非晶氧化锌） 结合无机材料高电导和有机材料良好成膜性，协同提升综合性能 高性能、高稳定性要求的器件
富勒烯及其衍生物 PCBM, C60 良好的电子接受和传输能力 阴极界面层
金属配合物 bathocuproine (BCP) 在早期器件中应用 阴极界面层


前沿的设计策略

为了进一步提升界面层的性能，研究人员开发出了一些创新的设计策略：

双组分协同策略：将有机界面材料（如PNDIT-F3N）与二维非晶氧化锌复合。这种策略能显著降低界面缺陷密度（降低42%），提升界面电导率（提高3个数量级），并改善薄膜均匀性，从而实现更高效的电荷提取和传输，同时有效抑制电荷复合。

分子取向调控：通过合理的分子设计，调控界面材料（如苝酰亚胺衍生物）的分子堆积方式，使其采取更利于电荷垂直传输的"face-on"取向。这种方法能在不依赖强烈自掺杂效应的情况下，赋予界面层优异的电荷传输性能，并提高器件的空气稳定性。

自组装界面层：利用某些界面材料（如Phen-NaDPO）的自组装特性，使其能够精确地定位在电极界面，并诱导活性层形成理想的垂直相分离结构。这种一步法加工工艺不仅提升了器件效率，也增强了稳定性。


3 界面层带来的性能飞跃

精妙的界面层设计为有机光伏电池的性能带来了显著提升：

效率突破：采用有机/无机双组分协同复合界面（AZnO-F3N） 的有机太阳能电池，其能量转换效率已经突破了21% 的里程碑。基于D18:L8-BO活性层的二元器件效率达到20.6%，引入第三组分BTP-eC9后效率进一步提升至21.0%（认证效率20.8%）。

填充因子提升：通过优化界面层，电池的填充因子（FF）可突破82%，这表明界面层对电荷的提取和收集能力得到了极大的增强。

厚度不敏感性：一些新型界面层材料（如NDI-Ph）对薄膜厚度不敏感，即使厚度从10 nm增加到100 nm，电池的效率仍能保持基本不变。这一特性使其非常适用于高速涂布等大规模印刷工艺，为产业化扫除了一个关键障碍。

普适性与稳定性：优秀的界面层策略（如双组分协同策略）在多种活性层体系、厚膜器件、柔性及可拉伸器件中均展现出良好的适配性。同时，基于复合界面的器件在光、热和机械稳定性方面也通常优于传统界面器件。


4 面临的挑战与未来方向

尽管界面层研究取得了长足进步，但要实现有机光伏电池的大规模商业化，仍有一些挑战需要克服：

材料成本与规模化合成：开发低成本、易于规模化合成且无批次差异的界面材料是推动其商业化应用的关键。例如，NDI-Ph在100克规模下实现了14.1元/克的低成本制备，这是一个积极的探索方向。

与高速印刷工艺的兼容性：未来的界面层材料需要更好地适配高速、大面积印刷工艺（如刮涂、 Slot-die涂布等），这就要求材料不仅性能优异，还需具备良好的成膜性和加工窗口。

机理的深度理解：对界面层与活性层之间复杂的相互作用（如分子堆积、界面偶极、电荷转移机制等）仍需更深入的理解，以指导高性能界面材料的理性设计。


5 总结

可以说，没有界面层这个“和事佬”的卓越工作，有机光伏电池的性能就无法达到今天的高度。随着新材料和新策略的不断涌现，界面层将继续在提升有机光伏电池效率、稳定性和产业化前景中扮演不可或缺的关键角色。