Adv. Energy Mater.综述: 两性离子用于有机/钙钛矿太阳能电池、发光器件和锂离子电池的最新进展和前景

【背景介绍】

自1930年第一次报道两性离子材料以来，人们开发了许多不同功能的新型两性离子用于商业应用，例如质子交换膜、催化脱硫等。近年来，由于它们在极性溶剂中用于处理溶液时，形成偶极子用于载体和离子的转移，使得人们显著的关注两性离子的使用。在同一分子中同时存在的负离子和正离子使两性离子形成界面偶极子，有利于替代常规离子基团用于开发新的功能材料。同时，两性离子形成的界面偶极子有助于其用作光电器件中的界面层，包括有机太阳能电池（OSCs）、钙钛矿太阳能电池（PVSCs）和有机发光器件（OLEDs）以及用于锂离子电池（LIBs）的电解质添加剂。随着两性离子材料的快速发展，通过将它们作为界面层和电解质添加剂，已经构建了具有增强效率的高性能器。

【成果简介】

最近，Adv. Energy Mater.在线刊登了福建农林大学的欧阳新华教授、陈礼辉教授和加拿大多伦多大学的Mohini Sain教授（共同通讯作者）等人总结的两性离子利用其特殊性质在有机/钙钛矿太阳能电池、发光器件和锂离子电池方面的最新进展。题目为“Zwitterions for Organic/Perovskite Solar Cells, Light-Emitting Devices, and Lithium Ion Batteries: Recent Progress and Perspectives”的综述。特别是首次对两性离子在LIBs中的应用进行综述。此外，也讨论了各种两性离子材料作为高效OSCs、PVSCs、OLEDs和LIBs的界面层或添加剂的作用。同时，还对两性离子材料的器件性能进行了综合研究，并对其结构-性质关系进行了讨论。最后，总结了与两性离子材料的发展和前景相关的挑战，进一步讨论这些方法的局限性和克服它们的措施。

论文的第一作者中文名字为：阿姆加德.伊斯拉姆博士。

【图文解析】

1、理论基础

两性离子材料对不同技术应用具有吸引力的重要性质在于它们的分子结构、离子行为、容易的合成机理、溶液和固体形式的有趣性质以及极性部分的存在。

图一、两性离子分子与光电子器件中间/金属界面界面偶极子的形成

2、最新技术和最新趋势

2.1、用于有机太阳能电池的两性离子材料（OSCs）

图二、金属电极表面附近的两性离子机制的示意图

图三、用于PSC的共轭小分子两性离子的结构

图四、基于具有不同厚度的PDINO夹层的PSCs的J-V曲线

图五、用于PSCs的非共轭小分子两性离子的结构

图六、PSCs的器件结构和能级
（a）ITO / PEDOT的常规结构：PSS/PTB7: PC71BM/MSAPBS/Al以及MSAPBS和PTB7的分子结构；

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

图七、PSCs聚合物两性离子的结构

图八、PT2BTDPPSB的PCE最高
（a）使用CPZs作为阴极改性层的器件架构图示；

（b）代表性的UPS光谱，显示ESEC起始用于确定窄能隙PT3DPPSB两性离子与Ag上的PT3DPP-烷基的D；

（c）UPS和UV-vis吸收测量的总结，给出包含太阳能电池的材料的电子能级具有共同的真空能级

2.2、用于钙钛矿太阳能电池（PVSCs）的两性离子材料

图九、PVSCs两性离子分子的结构

图十、HDAC夹层制备的ITO/P₃CT-Na/CH₃NH₃PbI₃/ PCBM/HDAC/Ag共混制备的PVSC器件PCE值
（a）PSC的器件结构和能级图；

（b）暗场（实线）、AM 1.5G照射（带符号）和相应的反向扫描（虚线）下测量的器件的J-V曲线

（c）PSC的EQE光谱；

（d）具有ITO/ZnO/PCBM/有和没有HDAC中间层/Ag的器件结构的仅电子器件的J-V特性。

2.3、用于有机发光器件（OLEDs）的两性离子材料

图十一、两性离子在电场作用下的工作机理

图十二、用于OLED器件的小分子两性离子

图十三、具有器件结构的PLEDs的电流效率与电压：ITO/PEDOT：PSS/F8BT (100 nm)/SMZW或M1或Ca/Al

图十四、用于OLED器件的聚合物两性离子

图十五、用于OLED器件的两性离子类型

2.4、用于锂离子电池的两性离子材料

图十六、锂离子电池中两性离子功能的示意图

图十七、用于LIBs的两性离子添加剂

图十八、金属表面SEI层的广义示意图
（a） 没有两性离子；（b）具有两性离子。

3、 两性离子的结构—性质关系

图十九、OSC设备使用不同类型的两性离子材料表现

图二十、使用不同类型的两性离子材料的OLED器件性能

图二十一、使用不同类型的两性离子材料的LIBs性能

4、两性离子夹层材料的优点

目前，已经报道了几种类型的材料并将其应用于电子器件中作为界面层，包括低WF金属(Ca、Al、LiF和Ag)和金属氧化物(TiO₂、ZnO和CsCO₃)，但是它们存在一些关键问题：对空气和湿气敏感、与有机活性层的能级不匹配。然而，ZEIs材料因具有易溶液加工性、易于制备、低成本、可调节的能级和良好的稳定性等优点，被用作中间层受到越来越多的关注。然而，许多ZEIs的性能也被证明对厚度敏感，但一些具有高电子迁移率和导电性的两性离子显示出厚度不敏感的性能。因此，掺杂是增强导电性和改变费米能级以及设计高效电子器件的有效方法。

5、总结与展望

综上所述，我们系统地回顾了两性离子材料及其在OSCs、PVSCs、OLEDs和LIBs中的应用的最新进展。一般界面层在光电器件的工作中起多重作用：1)、适当调节有机/电极界面处的能级来增加光电器件的有效电荷收集；2)、界面材料可以增强器件中的电极选择性和电荷传输；3)、界面工程对于增加电子设备中的光捕获非常重要；4)、界面材料对形态以及因此电子器件的稳定性有显著影响。在过去的几年中，两性离子材料作为界面层以改变电极的WF，但是ZEIs对电极WF改性的确切机制仍不明确。两性离子材料作为发光层和光活性层的应用也应该被探究，以充分利用这些材料的潜力。在LIBs中，电解质稳定性是实现具有长寿命的高效电池的重要因素。含有两性离子的纳米结构IL晶体具有高度排列和自组装的结构可以有效的提高其稳定性，同时改善了LIBs中的电流密度和截止电压，也可抑制形成Li枝晶，提高LIBs的安全性。必须依据结构-性质关系，设计具有特定功能的新型两性离子添加剂。总之，相信在未来两性离子材料可以为开发出高性能、高稳定、高效益、生态友好的的光电以及储能设备做出重大贡献。

文献链接：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）

通讯作者及其团队简介

欧阳新华，教授、博士生导师。福建省引进高层次创新创业人才、福建省“引进高层人才（B类）”、福建省“高等学校新世纪优秀人才”、江西省南昌市“洪城人才”、福建农林大学“金山学者”特聘教授。“农林剩余物纤维素功能材料”国家滚球体育 部创新团队光伏方向学科带头人，国家林业局植物纤维功能材料重点实验室光伏方向学科带头人，主要开展有机及生物质基光电材料与器件的前瞻性研究。近年来，以第一作者及通讯作者在Nature Photonics、Advanced Energy Materials等国际TOP期刊上发表SCI论文30篇，他引1000余次，ESI高被引论文1篇；主持了包括国家自然科学基金在内的国家部委项目12项，先后获得“中国光学重要成果”和广东省科学技术奖；授权发明专利8件，参编专著1部，完成建设省级《太阳能工程》网络课程1门。担任Nature Energy、Advanced Materials等国际TOP期刊审稿人。

本文由材料人CQR编译，材料人整理。

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