在有机太阳能电池的研究中，空穴传输层作为连接电极和有机光吸收层的关键组件，直接影响电荷传输效率和器件性能。然而，当前许多空穴传输层材料需要依赖强酸掺杂来提高导电性，但这种策略会导致电极腐蚀、器件稳定性下降，限制了其在有机光电子器件中的应用。因此，开发无需酸掺杂、同时兼具高效空穴传输能力和稳定性的空穴传输层材料，成为该领域亟待解决的挑战。
近日，北京化工大学许博为教授团队通过优化分子构象，设计并合成了两种新型共轭聚电解质，用于构建高效空穴传输层。研究结果表明，分子构象对空穴收集性能具有重要影响。其中，合成的共轭聚电解质PEP-BT 采用了由非稠合片段构建的平面共轭主链结构，这一独特设计使得分子排列更加有序，π-π堆积距离由 4.13 Å 缩短至 3.85 Å。这种紧密排列有助于增强分子间的电荷传输，并提高材料的掺杂效应，即使在无酸环境下也能实现高效导电。
进一步地，该团队利用多金属氧酸盐 H₆P₂Mo₃W₁₅O₆₂ (POM4) 作为掺杂剂，制备了PEP-BT:POM4 复合空穴传输层。实验结果表明，该材料在中性pH条件下仍表现出卓越的空穴传输能力，有效规避了酸性空穴传输层带来的腐蚀风险。同时，由于PEP-BT 具有较低的态密度，可以减少载流子陷阱，提高空穴迁移率，从而进一步提升器件的电子输运效率。
基于PEP-BT的优异性能，该团队构建了以其作为空穴传输层的二元有机太阳能电池，并取得了 19.16% 的能量转换效率。这一成绩不仅显著超越了传统空穴传输层材料的性能，同时也是基于共轭聚电解质作为空穴传输层在有机太阳能电池领域所达到的最佳效率之一。此外，由于该有机太阳能电池体系在保持高性能的同时避免了酸性掺杂的腐蚀性影响，这一策略为未来有机电子器件的稳定性提升和规模化制备提供了新的思路。
总体而言，该研究展示了优化分子构象在提升共轭聚电解质有机太阳能电池性能中的关键作用，并为开发高效、无腐蚀的空穴传输材料提供了新的可能。
图. (a-d) 共轭聚电解质随时间变化的原位紫外-可见吸收谱图。(e) PEP-BT，(f) PEP-BT:POM4，(i) PEP-BTF，(j) PEP-BTF:POM4的二维GIWAXS谱图。：(g) PEP-BT和PEP-BT:POM4，(h) PEP-BTF和PEP-BTF:POM4的面内和面外的GIWAXS谱图。(k) PEP-BT，(l) PEP-BT:POM4，(m) PEP-BTF，(n) PEP-BTF:POM4的AFM高度图。
图. (a) 标准有机太阳能电池结构示意图。(b) 基于不同光活性层器件的Voc，Jsc，FF和PCE分布的小提琴图，PEDOT:PSS（绿色）和PEP-BT:POM4（紫色）。(c) 以PM6:L8-BO为光活性层的J-V曲线。(d) 基于ITO/PEDOT:PSS和ITO/PEP-BTF:POM4的EQE光谱。(e)OSCs 的Photo-CELIV曲线，(f) 瞬态光电压曲线，(g) 瞬态光电流曲线，(h) 基于PEDOT:PSS和PEP-BT:POM4的OSCs的电化学阻抗谱图。
论文信息 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
