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  電子傳輸層 (ETLs) 對于改善光伏器件的穩(wěn)定性、實現(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)定高效的有機光伏是極其重要的。

  河南大學宋金生教授和南京郵電大學辛顥教授合作，利用NDI/IID/DPP的吸電子單元，通過交叉組合設計、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共聚設計電子傳輸層材料，對于設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胡袁源教授、北京化工大學李韋偉教授、江西省科學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基金、河南省杰出青年基金、中原千人計劃、河南省高校重點科研專項等項目的支持。

  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作為活性層的有機太陽能電池的光伏性能，基于PIIDNDI-Br和PDPPNDI-Br的有機光伏器件的PCE分別達到了18.32%和18.36%，且相應的光伏器件表現(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狙芯勘砻鳌半p受體”策略在構筑高性能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厚度的關系和(b)器件的存儲穩(wěn)定性，器件結(jié)構為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)構為ITO/PEDOT:PSS/PM6:L8-BO/ETLs/Ag。

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