在有機(jī)太陽能電池的研究中，空穴傳輸層作為連接電極和有機(jī)光吸收層的關(guān)鍵組件，直接影響電荷傳輸效率和器件性能。然而，當(dāng)前許多空穴傳輸層材料需要依賴強(qiáng)酸摻雜來提高導(dǎo)電性，但這種策略會導(dǎo)致電極腐蝕、器件穩(wěn)定性下降，限制了其在有機(jī)光電子器件中的應(yīng)用。因此，開發(fā)無需酸摻雜、同時(shí)兼具高效空穴傳輸能力和穩(wěn)定性的空穴傳輸層材料，成為該領(lǐng)域亟待解決的挑戰(zhàn)。
近日，北京化工大學(xué)許博為教授團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化分子構(gòu)象，設(shè)計(jì)并合成了兩種新型共軛聚電解質(zhì)，用于構(gòu)建高效空穴傳輸層。研究結(jié)果表明，分子構(gòu)象對空穴收集性能具有重要影響。其中，合成的共軛聚電解質(zhì)PEP-BT 采用了由非稠合片段構(gòu)建的平面共軛主鏈結(jié)構(gòu)，這一獨(dú)特設(shè)計(jì)使得分子排列更加有序，π-π堆積距離由 4.13 ? 縮短至 3.85 ?。這種緊密排列有助于增強(qiáng)分子間的電荷傳輸，并提高材料的摻雜效應(yīng)，即使在無酸環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)高效導(dǎo)電。
進(jìn)一步地，該團(tuán)隊(duì)利用多金屬氧酸鹽 H?P?Mo?W??O?? (POM4) 作為摻雜劑，制備了PEP-BT:POM4 復(fù)合空穴傳輸層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該材料在中性pH條件下仍表現(xiàn)出卓越的空穴傳輸能力，有效規(guī)避了酸性空穴傳輸層帶來的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于PEP-BT 具有較低的態(tài)密度，可以減少載流子陷阱，提高空穴遷移率，從而進(jìn)一步提升器件的電子輸運(yùn)效率。
基于PEP-BT的優(yōu)異性能，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了以其作為空穴傳輸層的二元有機(jī)太陽能電池，并取得了 19.16% 的能量轉(zhuǎn)換效率。這一成績不僅顯著超越了傳統(tǒng)空穴傳輸層材料的性能，同時(shí)也是基于共軛聚電解質(zhì)作為空穴傳輸層在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域所達(dá)到的最佳效率之一。此外，由于該有機(jī)太陽能電池體系在保持高性能的同時(shí)避免了酸性摻雜的腐蝕性影響，這一策略為未來有機(jī)電子器件的穩(wěn)定性提升和規(guī)模化制備提供了新的思路。
總體而言，該研究展示了優(yōu)化分子構(gòu)象在提升共軛聚電解質(zhì)有機(jī)太陽能電池性能中的關(guān)鍵作用，并為開發(fā)高效、無腐蝕的空穴傳輸材料提供了新的可能。
圖. (a-d) 共軛聚電解質(zhì)隨時(shí)間變化的原位紫外-可見吸收譜圖。(e) PEP-BT，(f) PEP-BT:POM4，(i) PEP-BTF，(j) PEP-BTF:POM4的二維GIWAXS譜圖。：(g) PEP-BT和PEP-BT:POM4，(h) PEP-BTF和PEP-BTF:POM4的面內(nèi)和面外的GIWAXS譜圖。(k) PEP-BT，(l) PEP-BT:POM4，(m) PEP-BTF，(n) PEP-BTF:POM4的AFM高度圖。
圖. (a) 標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 基于不同光活性層器件的Voc，Jsc，F(xiàn)F和PCE分布的小提琴圖，PEDOT:PSS（綠色）和PEP-BT:POM4（紫色）。(c) 以PM6:L8-BO為光活性層的J-V曲線。(d) 基于ITO/PEDOT:PSS和ITO/PEP-BTF:POM4的EQE光譜。(e)OSCs 的Photo-CELIV曲線，(f) 瞬態(tài)光電壓曲線，(g) 瞬態(tài)光電流曲線，(h) 基于PEDOT:PSS和PEP-BT:POM4的OSCs的電化學(xué)阻抗譜圖。
論文信息 Anode Engineering with pH-Neutral Conjugated Polyelectrolyte Enabling Over 19% Efficiency in Organic Solar Cells Yao Tong, Luxin Feng, Jiayu Li Heng Liu Cunbin An, Shouke Yan, Shouke Yan, Bowei Xu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202504085
