华南理工Macromolecules：可溶于水/醇的自掺杂N-型共轭聚合物用于高性能聚合物太阳能电池

【引言】

体异质结聚合物太阳能电池具有柔性，质量轻，大面积和溶液法制备等优点受到了研究者的广泛关注，其最高电池效率达到了14%。提升有机太阳能电池的主要手段有：1.使用新型施主/受主材料；2.薄膜形貌优化；3.界面工程。其中，界面工程对提高太阳能电池的性能有着至关重要的作用，通过调节活性层和电极之间的能级排列可以有效提高电荷选择性和萃取能力，从而促进有机太阳能电池的效率。

在所有不同类型的界面材料中，水/醇溶性的共轭聚合物(WSCPs)被认为是最有前景的电极修饰材料，并且已经广泛应用于先进的聚合物太阳能电池和钙钛矿太阳能电池中。然而，由于该材料的电子传输特性差，只有在超薄的时候才能发挥作用，所以严重限制了其在印刷领域的大规模应用。近年来，为了克服电子输运能力差的问题，n型Wscps作为一种新型的电子传输层(ETLs)，被发展成为一种高效聚合物太阳电池，并以其自身具有自掺杂效应的优势引起了人们的广泛关注。

自掺杂效应通常与分子能级有关。然而，这些n-Wscp中含有缺电子的萘二亚胺(NDI)和聚酰亚胺(PDI)单元，这些单元固定了聚合物的LUMO能级，使得无法有效地调节LUMO值。因此，研究高性能聚合物太阳能电池的自掺杂行为与分子能级之间的相关性，以开发更好的自掺杂n-Wscp材料，仍是一项具有挑战性的工作。

【成果简介】

近日，华南理工大学曹镛教授团队在Macromolecules上发表了一篇名为“N‑Type Self-Doped Water/Alcohol-Soluble Conjugated Polymers with Tailored Energy Levels for High-Performance Polymer Solar Cells”的文章。该研究利用不同程度的酯化取代酰亚胺，设计合成了三种以自掺n-Wscp为基的聚酰亚胺四羧酸衍生物（PIF-PTE-N, PIF-PMIDE-N和PIF-PDI-N）。这三种新型的n-Wscp材料可以作为电子传输层应用于高性能聚合物太阳能电池中。

【图文简介】

图1：三种新型n-Wscp材料的结构式

从上至下分别是，PIF-PTE-N, PEI-PMIDE-N, PIF-PDI-N。

图2：紫外-可见光波段的吸收光谱

(a). n-WSCPs氯仿溶液的吸收光谱；

(b). n-WSCPs薄膜的吸收光谱。

图3：n-WSCPs旋涂在铂碳电极上的循环伏安曲线

PIF-PTE-N, PEI-PMIDE-N, PIF-PDI-N三种n-WSCPs材料的循环伏安曲线。

图4：顺磁共振谱

三种固态n-WSCPs材料的电子顺磁共振谱。

图5：器件结构与活性层化学结构式

传统聚合物太阳能电池的结构示意图； PTB7-Th, PNTT和PC₇₁BM活性材料的化学结构式。

图6: J-V曲线

(a). 不同电子传输层（三种n-WSCPs材料），不同厚度时，以PTB7-Th/PC₇₁BM活性层的聚合物电池的J-V曲线；

(b). 不同电子传输层（三种n-WSCPs材料），不同厚度时，以PNTT/PC₇₁BM活性层的聚合物电池的J-V曲线；

【小结】

研究者通过不同程度的酯化取代酰亚胺，设计合成了三种以自掺n-Wscp为基的聚酰亚胺四羧酸衍生物（PIF-PTE-N, PIF-PMIDE-N和PIF-PDI-N）。以这些材料作为电子传输层的聚合物太阳能电池效率达到10%。

文献链接：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)

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