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  電子傳輸層 (ETLs) 對于改善光伏器件的穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)高性能器件發(fā)揮著重要作用。聚合物電子傳輸層因成膜性好、制備簡便而受到廣泛關(guān)注。然而，具有p型共軛骨架的聚合物電子傳輸層大都具有較低的電子遷移率和導(dǎo)電性，器件的膜厚依賴性較為敏感。因此，探索新型、高效的ETLs材料對發(fā)展穩(wěn)定高效的有機(jī)光伏是極其重要的。

  河南大學(xué)宋金生教授和南京郵電大學(xué)辛顥教授合作，利用NDI/IID/DPP的吸電子單元，通過交叉組合設(shè)計、合成了兩種新型的A1-A2型聚合物電子傳輸層材料 (PIIDNDI-Br和PDPPNDI-Br)。聚合物的A1-A2型共軛骨架確保了材料良好的電荷傳輸性能和高的導(dǎo)電性。而IID和DPP單元的引入使材料產(chǎn)生了不同的自摻雜行為。通過A1-A2共聚設(shè)計電子傳輸層材料，對于設(shè)計厚度不敏感且高性能的光伏器件是一種有效的策略。該研究以Doped/undoped A1-A2 typed copolymers as ETLs for highly efficient organic solar cells為題發(fā)表在《Adv. Funct. Mater.》雜志上（DOI: 10.1002/adfm.202303603），本工作第一作者為楊麗思、申帥帥為共同一作。該工作得到湖南大學(xué)胡袁源教授、北京化工大學(xué)李韋偉教授、江西省科學(xué)院夏冬冬博士的大力合作和幫助。該研究同時得到了國家自然科學(xué)基金、河南省杰出青年基金、中原千人計劃、河南省高校重點(diǎn)科研專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。

  具有p型共軛骨架的電子傳輸材料（如PFN-Br）大都表現(xiàn)較低的電子遷移率和導(dǎo)電性，且其器件對于厚度較為敏感，本論文提出“雙受體”交替共聚合物的設(shè)計策略，將缺電子單元IID或DPP與NDI引入到聚合物共軛骨架中，借助簡單的直接芳基化聚合策略合成了兩種A1-alt-A2型共聚物PIIDNDI-Br和PDPPNDI-Br作為ETLs。它們均具有優(yōu)異的醇溶性、合適的LUMO能級和金屬功函數(shù)可調(diào)性。聚合物的A1-A2型共軛骨架確保了材料良好的電荷傳輸性能和高的導(dǎo)電性。然而，IID和DPP單元的引入產(chǎn)生了迥然不同的自摻雜行為，并在紫外-可見吸收光譜和ESR表征得到了印證，其中PDPPNDI-Br具有較強(qiáng)的n型自摻雜，具有較好的厚度不敏感性。因此，以PIIDNDI-Br和PDPPNDI-Br為ETLs，研究了PM6:Y6、PM6:L8-BO作為活性層的有機(jī)太陽能電池的光伏性能，基于PIIDNDI-Br和PDPPNDI-Br的有機(jī)光伏器件的PCE分別達(dá)到了18.32%和18.36%，且相應(yīng)的光伏器件表現(xiàn)出良好的存儲穩(wěn)定性與光穩(wěn)定性，其在連續(xù)光照（AM 1.5 G，100 mW cm^?2）120 h后仍保持初始PCE的80%以上，展現(xiàn)了良好的光穩(wěn)定性�？傊�，本研究表明“雙受體”策略在構(gòu)筑高性能n-型電子傳輸層材料，獲得厚度不敏感且高性能的光伏器件中展現(xiàn)了良好的應(yīng)用潛力。

圖1 PIIDNDI-Br和PDPPNDI-Br的合成路線

圖2 光物理性質(zhì)研究

聚合物 (a) PIIDNDI-Br和 (b) PDPPNDI-Br的紫外-可見吸收光譜：CF₃CH₂OH溶液和薄膜狀態(tài)；(c) 固態(tài)下的ESR光譜；(d) 循環(huán)伏安曲線；(e) 紫外光電子能譜；(f) 能級分布圖

圖3 光伏器件的膜厚及穩(wěn)定性研究

(a) 器件性能與ETLs厚度的關(guān)系和(b)器件的存儲穩(wěn)定性，器件結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/PM6:Y6/ETLs/Ag；(c) 基于PIIDNDI-Br和 (d) 基于PDPPNDI-Br的器件在連續(xù)AM 1.5 G照明 (100 mW/cm²) 下手套箱中的光穩(wěn)定性，器件結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/PM6:L8-BO/ETLs/Ag。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303603