二茂铁衍生物与电子传输层复合物提升有机太阳能电池性能与光稳定性的机制研究

本研究针对有机太阳能电池(OSCs)电子传输层(ETL)选择有限、性能瓶颈等问题，创新性地通过二茂铁(Fc)衍生物FcFk2与PFN-Br等ETL形成电荷转移复合物，实现了电极功函数精准调控。研究通过DFT计算和XPS等表征证实了复合物形成机制，使PM6:BTP-eC9体系填充因子(FF)突破80%，效率(PCE)达20.1%，并在ISOS-L-1I测试下保持700小时T80稳定性，为高性能ETL设计提供了普适性策略。

　　

研究背景与科学问题

有机太阳能电池(OSCs)因其溶液加工性和环境友好特性成为可再生能源研究热点，目前效率已突破20%，但性能提升主要依赖光活性层优化，电子传输层(ETL)的发展相对滞后。传统ETL如PFN-Br虽能通过偶极效应降低银电极功函数，但其富电子骨架不利于电子传输，且材料选择有限、成本高昂。更关键的是，ETL/电极界面陷阱辅助复合会显著降低器件填充因子(FF)和光稳定性。如何通过简单方法构建高效稳定的ETL成为领域内亟待解决的难题。

技术方法创新

研究团队设计了一种低成本二茂铁衍生物FcFk₂（产率>16%，成本约10.4美元/克），通过溶液法与PFN-Br等ETL混合形成杂化材料。结合密度泛函理论(DFT)计算、X射线光电子能谱(XPS)和紫外光电子能谱(UPS)揭示复合物形成机制；利用原子力显微镜(AFM)和接触角测试表征界面形貌；通过空间电荷限制电流(SCLC)和电化学阻抗谱(EIS)分析载流子传输特性；采用ISOS-L-1I协议评估器件稳定性。

研究结果

1. 1.

   复合物形成机制

   DFT计算显示FcFk₂与PFN-Br铵基团存在98.8 kJ/mol的强范德华相互作用，XPS证实Fe²⁺/Fe³⁺氧化态转变和C=O键电子密度重分布。FT-IR中1,568 cm^-1峰位移表明基态电荷转移(CT)形成，UV-vis-NIR在1,000-1,600 nm的宽吸收带进一步验证CT效应。

1. 1.

   界面工程优化

   杂化ETL将银电极功函数从-4.50 eV降至-4.03 eV，与BTP-eC₉的LUMO(-4.04 eV)形成欧姆接触。AFM显示表面粗糙度从1.42 nm降至1.08 nm，接触角从38.66°减至12.43°，显著改善界面接触。

2. 2.

   器件性能突破

   PM6:BTP-eC₉器件FF达80.1%，PCE提升至20.1%（加防反射涂层）。SCLC测试显示陷阱填充电压(V_TFL)从0.184 V降至0.136 V，TPC证实电荷提取时间从176.5 ns缩短至53.2 ns。

3. 3.

   普适性与稳定性

   在8种给体-受体体系中均观察到性能提升，其中三元体系PM6:D18:L8-BO效率达19.7%。ISOS-L-1I测试下，杂化ETL器件700小时后仍保持80%初始效率，远优于参照组。

结论与意义

该研究通过二茂铁衍生物与ETL的分子级复合，首次实现了界面功函数的精准调控，解决了OSCs中电子提取效率与稳定性协同优化的难题。FcFk₂的引入不仅降低陷阱辅助复合（n从1.135降至1.043 k_BT/q），还通过Fe³⁺物种抑制费米能级钉扎效应。这种"一锅法"杂化策略兼具低成本（10.4美元/克）和普适性，为有机光电器件界面工程提供了新范式。相关成果发表于《Joule》，被评价为"通过分子设计实现OSCs效率与稳定性的双重飞跃"。