Mats Fahlman 教授团队与保秦烨教授合作：AM：基于工业溶剂萃取木质素的二元界面策略的有机太阳能电池

第一作者：张琪伦

通讯作者：张琪伦*，保秦烨*，Mats Fahlman*

单位：林雪平大学，华东师范大学

得益于分子设计和器件工程，有机太阳电池作为可再生能源的前沿技术，其能量转化效率近几年急剧增长。同样作为机太阳电池通往产业化道路的“门票”，稳定性和成本也是不可或缺的。界面工程是实现高稳定性、低成本的太阳能电池的重要手段之一。而木质素，作为自然界中储量最大的芳香族材料，在优化太阳点电池界面性能上具备相当的潜力。然而，每年有数千万吨作为造纸废料的工业木质素，或直接燃烧，或作为污染物排向大海。工业木质素因其生产条件的恶劣，在结构及成分上具有很强的异质性，很难被直接使用。本文采用工业溶剂萃取后提纯的木质素为基础，利用二元界面材料的策略成功实现了太阳电池中阴极界面处功函调控。木质素基的二元界面材料可以有效的提高有机太阳能电池的效率及稳定性，同时大量的木质素填料降低了器件的制备成本。这项研究为实现有机太阳能电池产业化道路开辟了新的可能性。

近日，来自 瑞典林雪平大学的Mats Fahlman 教授团队与华东师范大学的保秦烨教授合作 ，在国际知名期刊 Advanced Materials 上发表题为 “Industrial Kraft Lignin Based Binary Cathode Interface Layer Enables Enhanced Stability in High Efficiency Organic Solar Cells” 的研究成果。该研究成果以工业萃取的木质素与有机半导体结合作为二元界面层，制备了高性能和稳定的有机太阳能电池，并对提高器件稳定性的机理进行了系统研究。

基于木质素的二元界面材料KLMeOH:BCP(浴铜灵)得益于木质素上广泛分布的苯酚基团与菲罗啉间电子转移与氢键结合，二元界面层可以轻松实现功函调控以适配不同的活性组分。以其作为界面层的二元有机太阳能电池（PM6:Y6）相较于单一BCP作为界面的器件具备突出的性能提高，其能量转化效率由14.11%（开路电压0.851 V, 短路电流23.58 mA/cm ² , 填充因子70%）提升至15.73%（开路电压0.855 V, 短路电流25.09 mA/cm ² , 填充因子73.3%），同时稳定性也大幅增强，如图一所示。该二元界面材料在不同种类的三元有机太阳电池以及钙钛矿电池中也具有优异的表现，其中基于D18-Cl:N ₃ :PC60BM体系的电池达到了18.4%的效率，在有效使用生物基材料的有机太阳能电池中稳居前列。木质素的引入有利于阴极界面的形貌及化学稳定性，从而促进电荷的有效传输并抑制复合，最终实现优良的光伏性能。

非富勒烯材料的飞速发展为有机太阳能电池带来了效率上的突破，但是其本身的化学活性也为其在界面处的稳定性埋下了隐患。近年来，已经有许多工作报导了非富勒烯材料对界面材料的敏感性，其中本文所使用的浴铜灵对“Y”系列器件的影响尤为巨大。本文通过一系列手段证实了其影响是因为浴铜灵与非富勒烯材料明显的化学作用导致的形貌变化和能级失配，其中原子力显微镜和扫描电子显微镜观察到了短时间内浴铜灵对活性层的渗透或是反应导致的溶融，X射线光电子能谱证明了界面处浴铜灵组分的消失，紫外-可见吸收光谱显示非富勒烯材料因化学反应导致的共轭破坏，而其对器件的影响也同时通过实验和模拟证实。而本文提出的基于木质素的二元界面策略可以有效的抑制其化学作用并提高器件的效率和稳定性。因为木质素的引入不仅从空间尺度上阻隔了浴铜灵与非富勒烯材料的大幅接触，从化学角度上也减弱了浴铜灵的富电子性，从而实现优良的光伏稳定性。

浴铜灵与木质素的结合作为本文的主角，其功能性是毋庸置疑的。然而除了浴铜灵之外，木质素基的多酚三维结构也为二元材料的形成提供了多种可能性，比如共轭聚电解质（PFN-Br）与其联用也可以达到类似功函调控的效果，而大量的木质素填料也为该界面层提供了可观的成本收益。尽管在与苝二酰亚胺（PDIN, PDINN）联用的过程中，因为过强的相互作用，二元材料显示出了一些溶解性问题。但是这些研究能为未来基于木质素二元材料的研究提供宝贵的参考价值。

当前对木质素材料在有机太阳能电池中的研究仍然有限，这也是其未来通往工业化研究的一个潜在方向。由于高效率的非富勒烯材料本身的敏感性，关于如何克服这些问题并实现高稳定性的研究在有机太阳能电池领域中是必不可少。其次，如何实现低成本也是亟待解决的难题。进一步发展新型材料体系，利用可持续的木质基材料，是获得廉价高效太阳能源的可行策略之一。

Industrial Kraft Lignin Based Binary Cathode Interface Layer Enables Enhanced Stability in High Efficiency Organic Solar Cells

张琪伦 博士毕业于瑞典林雪平大学有机电子实验室（Laboratory of Organic Electronics, Linköping University）, 主要从事光电子能谱和有机光电器件界面的研究， 以第一（通讯）作者在 Adv. Mater, Solar rrl, JMCC 等期刊发表SCI论文4篇。

保秦烨 教授简介：华东师范大学物理与电子科学学院教授，国家优青，主要从事基于光电子能谱与同步辐射技术的有机半导体界面物性与光电调控研究。在Nature Energy、Joule、Adv. Mater.、Nature Commun.等期刊发表论文100余篇，成果被美国光学学会、美国科学促进会、英国泰晤士报、德国公共广播电台、中国科学报等亮点报道。获/合作获教育部自然科学二等奖、北京市自然科学二等奖、上海市青年科技启明星、国家海外优秀自费留学生奖、华师大青年科学家奖、华师大本科教学优秀奖、华师大创新创业优秀指导教师等荣誉。

Mats Fahlman 教授简介：Mats Fahlman是瑞典林雪平大学表面物理与化学领域的教授，也是有机电子实验室（liu.se/LOE）的系主任。他于1995年获得博士学位，拥有超过17,000次的引用次数和65的h指数（https://www.webofscience.com/wos/author/record/569177）。他曾获得2003年欧盟笛卡尔奖（Descartes Prize）并于2013年荣获瑞典自然科学领域最高荣誉奖项——Göran Gustafsson物理学奖。他在有机电子领域已有30多年的研究经验，主要研究领域包括有机半导体及其（混合）界面的光电子和X射线吸收光谱。他曾是瑞典国家同步辐射实验室董事会成员（2001-2010年），并于2020-2022年期间担任其科学咨询委员会委员。自2022年起，他成为瑞典自然与工程科学科学委员会（www.vr.se）的科学委员会成员，并担任Wallenberg Wood Science Center（wwsc.se）的联合主任。

有机电子实验室（简称LOE，网址：www.liu.se/LOE），隶属于科学与技术学院，瑞典林雪平大学，是全球最前沿的有机电子学研究机构之一。该课题组致力于研究有机材料和有机-无机混合系统的化学、电子和光学性质，开发新型器件和系统概念，以应用于能源、物联网、医疗和农业等领域。该实验室由瑞典皇家科学院院士、工程院院士、瑞典皇家科学院副院长Magnus Berggren领衔，拥有超过120名研究人员和11个研究小组。LOE以跨学科合作为特色，分成多个研究小组，涵盖了从有机纳米电子学和印刷电子到有机生物电子、能源材料、纳米光学和电子植物等领域的研究。

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