宋金生教授、辛颢教授AFM：双受体交替共聚物电子传输层助力高性能有机光伏器件

第一作者：杨丽思、申帅帅（共同一作）

通讯作者：夏冬冬*，辛颢*，宋金生*

单位：南京邮电大学，河南大学，江西省科学院

近年来，有机太阳能电池因其广阔的应用前景而备受关注。在有机太阳能电池器件中，电子传输层 (ETLs) 促进器件中的电荷传输和收集，对于改善器件的稳定性、实现高性能器件发挥着重要作用。聚合物电子传输层因成膜性好、制备简便而受到广泛关注。聚合物的共轭骨架对材料的光电、电荷传输和器件性能等起着决定性的作用。具有p型共轭骨架的电子传输层大都具有较低的电子迁移率和导电性，因此器件具有较高的厚度敏感性。

为了解决这一问题，在聚合物的共轭主链引入吸电子单元，形成D-A型聚合物电子传输层。此外缺电子单元似乎是开发高性能n型半导体聚合物的“关键要素”。在聚合物主链引入两个电子受体，构建“双受体”型聚合物，已成为开发高性能n型聚合物半导体的有效策略。该方法可以抑制空穴积累、同时促进电子注入，提高材料的电子迁移率和n型特性。本文设计了新型的A1-A2型共聚物电子传输层，是一种发展厚度不敏感的高性能有机光伏器件的有效策略。

近日，河南大学宋金生教授、南京邮电大学辛颢教授与江西省科学院夏冬冬博士合作，在国际知名期刊Adv. Funct. Mater. 上发表题为“Doped/Undoped A1-A2 Typed Copolymers as ETLs for Highly Efficient Organic Solar Cells”的文章。该文章设计、合成了两种新型的A1-A2型共聚物PIIDNDI-Br和PDPPNDI-Br作为ETLs，IID和DPP单元的引入使材料产生了不同的自掺杂行为，然而A1-A2型共轭骨架确保了材料良好的电荷传输性能和高的导电性，用于构筑厚度不敏感且高性能的光伏器件。

本文通过直接芳基化聚合及高效地季铵盐化反应设计合成了A1-A2型交替共聚物电子传输层PIIDNDI-Br和PDPPNDI-Br，该方法减少了合成步骤，避免使用传统Stille聚合的具有毒性的有机锡类化合物，具有原子经济性、环保性和可持续发展的意义。

IID和DPP具有相似的吸电子特性，在有机半导体中广泛应用，将二者分别引入聚合物却产生了不同的自掺杂行为，紫外-可见吸收光谱和ESR表征得到相应的印证。PDPPNDI-Br在溶液 (620 nm) 和薄膜 (730 nm) 的吸收中都存在自由基阴离子 (极化子) 的特征吸收峰，且薄膜态的极化子吸收峰比溶液态的更明显，表明PDPPNDI-Br存在较强的自掺杂效应。而聚合物PIIDNDI-Br只观察到正常的宽峰和吸收峰红移，未检测到ESR信号；相反，PDPPNDI-Br则表现出明显的ESR信号。

以PM6:Y6为活性层的OSCs，PIIDNDI-Br和PDPPNDI-Br的最佳厚度为10 nm，最高光电转换效率分别为16.45%和16.98%，优于基于PFN-Br的OSCs (16.04%)。PIIDNDI-Br和PDPPNDI-Br的厚度为45 nm时，其器件的效率保持在11%和13%以上，这表明了PDPPNDI-Br作为电子传输层具有优异的厚度不敏感特性。同时，基于PIIDNDI-Br和PDPPNDI-Br的器件表现出良好的存储稳定性与光稳定性，采用PM6:L8-BO作为活性层，基于PIIDNDI-Br和PDPPNDI-Br器件的PCE分别为18.03%和18.09%，其在连续光照AM 1.5 G，100 mW cm⁻²，氮气手套箱，120 h后照射条件下，PCE仍保持初始值的80%以上，表现出良好的光稳定性。

Doped/Undoped A1-A2 Typed Copolymers as ETLs for Highly Efficient Organic Solar Cells

宋金生 教授 简介：河南省高层次人才特殊支持计划“中原青年拔尖人才”，河南省杰出青年基金获得者，“黄河学者”，河南省教育厅学术技术带头人，河南省青年骨干教师，河南省高层次人才（C类），河南省青少年科技教育精准服务试点专家，现任职于河南大学纳米材料工程研究中心。主要从事新型有机太阳能电池材料设计与器件加工、柔性电子器件、共轭高分子化学等方面的研究工作。目前，在J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等期刊发表SCI论文50余篇，专利3件，作为章节作者受邀与国内外学者合著太阳能电池领域著作1部，先后主持获批国家自然科学基金4项。

辛颢 教授 简介：2003年毕业于北京大学获得无机化学博士学位，2003年到2015年先后在日本和美国从事光电功能材料及器件研究，2015年回南京邮电大学工作。在JACS，EES，AEM，AFM，ACS Nano，Nano Energy等期刊发表论文60余篇，引用3500多次。主持科技部重点研发计划项目一项，国家自然科学基金项目两项。目前主要研究方向为溶液法制备高效铜锌锡硫和铜铟镓硒薄膜太阳能电池，通过化学手段调控铜锌锡硫和铜铟镓硒半导体性质并提高其电池效率是课题组的研究特色。2020年创造铜锌锡硫电池中国效率，2021年创造铜锌锡硫电池世界效率（13%）。

夏冬冬 博士 简介：2016年本科毕业于湘潭大学，2021年在李韦伟教授的指导下于中科院化学所取得博士学位。同年，加入江西省科学院应用化学研究所，任助理研究员。研究方向为有机共轭聚合物及小分子材料的设计合成、电子传输层材料的构筑及其在有机光伏领域的应用。

杨丽思，2019年于河南大学纳米材料工程研究中心获得硕士学位，师从宋金生教授。随后，加入南京邮电大学辛颢教授课题组并返回河南大学进行博士研究生联合培养，主要研究方向为有机光伏材料。

课题组每年招收硕士生、博士生若干名。欢迎具有高分子化学、有机化学、材料化学、有机光电子器件等相关背景的有志青年报考！

课题组长期招博士后科研人员，有意者请将本人简历、学历学位证明、科研成果及在学期间获奖证明等材料以电子版形式发送至邮箱：songjs@henu.edu.cn

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