石墨烯量子点作为阳极界面层的聚合物太阳能电池.docx

聚合物太阳能电池（Polymer Solar Cells, PSCs）因其柔韧性、溶液加工性、轻量化和成本效益等优势，成为可再生能源领域的研究热点。近年来，PSCs的效率已经超过了16%，这一进步主要得益于器件结构的优化和新型材料的研发。其中，界面层在提高电池性能方面扮演着关键角色，尤其是阳极界面层（Anode Interface Layer, AIL）和阴极界面层（Cathode Interface Layer, CIL）。 界面层的主要作用是通过形成界面偶极子降低能级势垒，促进电子和空穴的有效注入与提取，形成欧姆接触，从而提高电池的开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）和填充因子（FF）。对于阳极界面层，需要选择具有高功函数的材料，以匹配给体材料的最高占有分子轨道（HOMO）。相反，阴极界面层应选择低功函数材料，以匹配受体材料的最低未占有分子轨道（LUMO）。常见的阳极界面材料包括导电聚合物如PEDOT:PSS、无机氧化物以及氧化石墨烯衍生物等。阴极界面材料则包括金属、金属盐和无机半导体金属氧化物等。 石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots, GQDs）因其独特的性质，如高电导率、高透光性、光学稳定性和可调谐性，被引入到聚合物太阳能电池的界面层中。GQDs表面的氧官能团赋予它们良好的水溶性，便于溶液加工，并提供功能性反应的活性位点。通过功能化反应，可以调控GQDs的功函数，适应于不同的电极界面层需求。例如，研究发现边缘羧基化的GQDs可以作为高效的阳极界面层，提高电池效率，而引入第一主族元素的GQDs则可以降低功函数，适用于阴极界面层。 本研究中，科研人员通过卤素元素（I、Br、Cl、F）苯肼小分子与GQDs的功能化反应，合成了不同功函数的X-GQDs材料。随着卤素电负性的增加，X-GQDs的功函数也相应提高。将这些材料应用于PM6:Y6聚合物太阳能电池的阳极界面层，结果显示电池的光电转换效率有所提升，特别是基于F-GQDs的电池，其效率达到了11.75%。这表明，通过精确调控GQDs的功函数，可以有效地优化阳极界面层，进一步提高聚合物太阳能电池的性能。 实验部分，研究人员首先采用电化学剥离法制备GQDs，然后通过与不同卤素苯肼盐酸盐的反应合成X-GQDs。最终，将合成的X-GQDs应用于PSCs的阳极界面层，评估其对电池性能的影响。这些研究为设计高性能聚合物太阳能电池提供了新的策略，也揭示了GQDs在光伏领域的巨大潜力。