Adv. Energy Mater.綜述: 兩性離子用于有機/鈣鈦礦太陽能電池、發光器件和鋰離子電池的最新進展和前景

【背景介紹】

自1930年第一次報道兩性離子材料以來，人們開發了許多不同功能的新型兩性離子用于商業應用，例如質子交換膜、催化脫硫等。近年來，由于它們在極性溶劑中用于處理溶液時，形成偶極子用于載體和離子的轉移，使得人們顯著的關注兩性離子的使用。在同一分子中同時存在的負離子和正離子使兩性離子形成界面偶極子，有利于替代常規離子基團用于開發新的功能材料。同時，兩性離子形成的界面偶極子有助于其用作光電器件中的界面層，包括有機太陽能電池（OSCs）、鈣鈦礦太陽能電池（PVSCs）和有機發光器件（OLEDs）以及用于鋰離子電池（LIBs）的電解質添加劑。隨著兩性離子材料的快速發展，通過將它們作為界面層和電解質添加劑，已經構建了具有增強效率的高性能器。

【成果簡介】

最近，Adv. Energy Mater.在線刊登了福建農林大學的歐陽新華教授、陳禮輝教授和加拿大多倫多大學的Mohini Sain教授（共同通訊作者）等人總結的兩性離子利用其特殊性質在有機/鈣鈦礦太陽能電池、發光器件和鋰離子電池方面的最新進展。題目為 “Zwitterions for Organic/Perovskite Solar Cells, Light-Emitting Devices, and Lithium Ion Batteries: Recent Progress and Perspectives” 的綜述。特別是首次對兩性離子在LIBs中的應用進行綜述。此外，也討論了各種兩性離子材料作為高效OSCs、PVSCs、OLEDs和LIBs的界面層或添加劑的作用。同時，還對兩性離子材料的器件性能進行了綜合研究，并對其結構-性質關系進行了討論。最后，總結了與兩性離子材料的發展和前景相關的挑戰，進一步討論這些方法的局限性和克服它們的措施。

論文的第一作者中文名字為：阿姆加德.伊斯拉姆博士。

【圖文解析】

1、理論基礎

兩性離子材料對不同技術應用具有吸引力的重要性質在于它們的分子結構、離子行為、容易的合成機理、溶液和固體形式的有趣性質以及極性部分的存在。

圖一、兩性離子分子與光電子器件中間/金屬界面界面偶極子的形成

2、最新技術和最新趨勢

2.1、用于有機太陽能電池的兩性離子材料（OSCs）

圖二、金屬電極表面附近的兩性離子機制的示意圖

圖三、用于PSC的共軛小分子兩性離子的結構

圖四、基于具有不同厚度的PDINO夾層的PSCs的J-V曲線

圖五、用于PSCs的非共軛小分子兩性離子的結構

圖六、PSCs的器件結構和能級
（a）ITO / PEDOT的常規結構：PSS/PTB7: PC71BM/MSAPBS/Al以及MSAPBS和PTB7的分子結構；

（b）常規PSCs中ITO、PEDOT: PSS、PTB7、PC71BM、MSAPBS和Ca/Al的能級。

圖七、PSCs聚合物兩性離子的結構

圖八、PT2BTDPPSB的PCE最高
（a）使用CPZs作為陰極改性層的器件架構圖示；

（b）代表性的UPS光譜，顯示ESEC起始用于確定窄能隙PT3DPPSB兩性離子與Ag上的PT3DPP-烷基的D；

（c）UPS和UV-vis吸收測量的總結，給出包含太陽能電池的材料的電子能級具有共同的真空能級

2.2、用于鈣鈦礦太陽能電池（PVSCs）的兩性離子材料

圖九、PVSCs兩性離子分子的結構

圖十、HDAC夾層制備的ITO/P₃CT-Na/CH₃NH₃PbI₃/ PCBM/HDAC/Ag共混制備的PVSC器件PCE值
（a）PSC的器件結構和能級圖；

（b）暗場（實線）、AM 1.5G照射（帶符號）和相應的反向掃描（虛線）下測量的器件的J-V曲線

（c）PSC的EQE光譜；

（d）具有ITO/ZnO/PCBM/有和沒有HDAC中間層/Ag的器件結構的僅電子器件的J-V特性。

2.3、用于有機發光器件（OLEDs）的兩性離子材料

圖十一、兩性離子在電場作用下的工作機理

圖十二、用于OLED器件的小分子兩性離子

圖十三、具有器件結構的PLEDs的電流效率與電壓：ITO/PEDOT：PSS/F8BT (100 nm)/SMZW或M1或Ca/Al

圖十四、用于OLED器件的聚合物兩性離子

圖十五、用于OLED器件的兩性離子類型

2.4、用于鋰離子電池的兩性離子材料

圖十六、鋰離子電池中兩性離子功能的示意圖

圖十七、用于LIBs的兩性離子添加劑

圖十八、金屬表面SEI層的廣義示意圖
（a） 沒有兩性離子；（b）具有兩性離子。

3、 兩性離子的結構—性質關系

圖十九、OSC設備使用不同類型的兩性離子材料表現

圖二十、使用不同類型的兩性離子材料的OLED器件性能

圖二十一、使用不同類型的兩性離子材料的LIBs性能

4、兩性離子夾層材料的優點

目前，已經報道了幾種類型的材料并將其應用于電子器件中作為界面層，包括低WF金屬(Ca、Al、LiF和Ag)和金屬氧化物(TiO₂、ZnO和CsCO₃)，但是它們存在一些關鍵問題：對空氣和濕氣敏感、與有機活性層的能級不匹配。然而，ZEIs材料因具有易溶液加工性、易于制備、低成本、可調節的能級和良好的穩定性等優點，被用作中間層受到越來越多的關注。然而，許多ZEIs的性能也被證明對厚度敏感，但一些具有高電子遷移率和導電性的兩性離子顯示出厚度不敏感的性能。因此，摻雜是增強導電性和改變費米能級以及設計高效電子器件的有效方法。

5、總結與展望

綜上所述，我們系統地回顧了兩性離子材料及其在OSCs、PVSCs、OLEDs和LIBs中的應用的最新進展。一般界面層在光電器件的工作中起多重作用：1)、適當調節有機/電極界面處的能級來增加光電器件的有效電荷收集；2)、界面材料可以增強器件中的電極選擇性和電荷傳輸；3)、界面工程對于增加電子設備中的光捕獲非常重要；4)、界面材料對形態以及因此電子器件的穩定性有顯著影響。在過去的幾年中，兩性離子材料作為界面層以改變電極的WF，但是ZEIs對電極WF改性的確切機制仍不明確。兩性離子材料作為發光層和光活性層的應用也應該被探究，以充分利用這些材料的潛力。在LIBs中，電解質穩定性是實現具有長壽命的高效電池的重要因素。含有兩性離子的納米結構IL晶體具有高度排列和自組裝的結構可以有效的提高其穩定性，同時改善了LIBs中的電流密度和截止電壓，也可抑制形成Li枝晶，提高LIBs的安全性。必須依據結構-性質關系，設計具有特定功能的新型兩性離子添加劑。總之，相信在未來兩性離子材料可以為開發出高性能、高穩定、高效益、生態友好的的光電以及儲能設備做出重大貢獻。

文獻鏈接：Zwitterions for Organic/Perovskite Solar Cells, Light-Emitting Devices, and Lithium Ion Batteries: Recent Progress and Perspectives（Adv. Energy Mater, 2019, DOI: 10.1002/aenm.201803354）

通訊作者及其團隊簡介

歐陽新華，教授、博士生導師。福建省引進高層次創新創業人才、福建省“引進高層人才（B類）”、福建省“高等學校新世紀優秀人才”、江西省南昌市“洪城人才”、福建農林大學“金山學者”特聘教授。“農林剩余物纖維素功能材料”國家科技部創新團隊光伏方向學科帶頭人，國家林業局植物纖維功能材料重點實驗室光伏方向學科帶頭人，主要開展有機及生物質基光電材料與器件的前瞻性研究。近年來，以第一作者及通訊作者在Nature Photonics、Advanced Energy Materials等國際TOP期刊上發表SCI論文30篇，他引1000余次，ESI高被引論文1篇；主持了包括國家自然科學基金在內的國家部委項目12項，先后獲得“中國光學重要成果”和廣東省科學技術獎；授權發明專利8件，參編專著1部，完成建設省級《太陽能工程》網絡課程1門。擔任Nature Energy、Advanced Materials等國際TOP期刊審稿人。

本文由材料人CQR編譯，材料人整理。

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