華南理工Macromolecules：可溶于水/醇的自摻雜N-型共軛聚合物用于高性能聚合物太陽能電池

【引言】

體異質結聚合物太陽能電池具有柔性，質量輕，大面積和溶液法制備等優點受到了研究者的廣泛關注，其最高電池效率達到了14%。提升有機太陽能電池的主要手段有：1.使用新型施主/受主材料；2.薄膜形貌優化；3.界面工程。其中，界面工程對提高太陽能電池的性能有著至關重要的作用，通過調節活性層和電極之間的能級排列可以有效提高電荷選擇性和萃取能力，從而促進有機太陽能電池的效率。

在所有不同類型的界面材料中，水/醇溶性的共軛聚合物(WSCPs)被認為是最有前景的電極修飾材料，并且已經廣泛應用于先進的聚合物太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池中。然而，由于該材料的電子傳輸特性差，只有在超薄的時候才能發揮作用，所以嚴重限制了其在印刷領域的大規模應用。近年來，為了克服電子輸運能力差的問題，n型Wscps作為一種新型的電子傳輸層(ETLs)，被發展成為一種高效聚合物太陽電池，并以其自身具有自摻雜效應的優勢引起了人們的廣泛關注。

自摻雜效應通常與分子能級有關。然而，這些n-Wscp中含有缺電子的萘二亞胺(NDI)和聚酰亞胺(PDI)單元，這些單元固定了聚合物的LUMO能級，使得無法有效地調節LUMO值。因此，研究高性能聚合物太陽能電池的自摻雜行為與分子能級之間的相關性，以開發更好的自摻雜n-Wscp材料，仍是一項具有挑戰性的工作。

【成果簡介】

近日，華南理工大學曹鏞教授團隊在Macromolecules上發表了一篇名為“N?Type Self-Doped Water/Alcohol-Soluble Conjugated Polymers?with Tailored Energy Levels for High-Performance Polymer Solar Cells”的文章。該研究利用不同程度的酯化取代酰亞胺，設計合成了三種以自摻n-Wscp為基的聚酰亞胺四羧酸衍生物（PIF-PTE-N, PIF-PMIDE-N和PIF-PDI-N）。這三種新型的n-Wscp材料可以作為電子傳輸層應用于高性能聚合物太陽能電池中。?

【圖文簡介】

圖1：三種新型n-Wscp材料的結構式

? 從上至下分別是，PIF-PTE-N, PEI-PMIDE-N, PIF-PDI-N。

圖2：紫外-可見光波段的吸收光譜

(a). n-WSCPs氯仿溶液的吸收光譜；

(b). n-WSCPs薄膜的吸收光譜。

圖3：n-WSCPs旋涂在鉑碳電極上的循環伏安曲線

PIF-PTE-N, PEI-PMIDE-N, PIF-PDI-N三種n-WSCPs材料的循環伏安曲線。

圖4：順磁共振譜

三種固態n-WSCPs材料的電子順磁共振譜。

圖5：器件結構與活性層化學結構式

? 傳統聚合物太陽能電池的結構示意圖； PTB7-Th, PNTT和PC₇₁BM活性材料的化學結構式。

圖6: J-V曲線

(a). 不同電子傳輸層（三種n-WSCPs材料），不同厚度時，以PTB7-Th/PC₇₁BM活性層的聚合物電池的J-V曲線；

(b). 不同電子傳輸層（三種n-WSCPs材料），不同厚度時，以PNTT/PC₇₁BM活性層的聚合物電池的J-V曲線；

【小結】

研究者通過不同程度的酯化取代酰亞胺，設計合成了三種以自摻n-Wscp為基的聚酰亞胺四羧酸衍生物（PIF-PTE-N, PIF-PMIDE-N和PIF-PDI-N）。以這些材料作為電子傳輸層的聚合物太陽能電池效率達到10%。

文獻鏈接：N?Type Self-Doped Water/Alcohol-Soluble Conjugated Polymers with Tailored Energy Levels for High-Performance Polymer Solar Cells (Macrolecules, 2018, DOI:10.1021/acs.macromol.8b00126)

本文由材料人編輯部新能源學術組金也供稿，材料牛編輯整理。

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