传统的自组装单分子层（SAM）空穴传输材料在有机太阳能电池（OSCs）中存在均匀性差和厚度容忍性低的问题，从而限制了其大规模生产应用。为了克服这些限制，南京大学陈尚尚教授等人通过聚合磷酸咔唑单体合成了一种新型的空穴传输高分子材料—Poly-2PACz。Poly-2PACz材料具有出色的导电性能、对自身层厚容忍性高、以及相比传统SAM材料更好的成膜性和均匀性。基于Poly-2PACz的OSCs实现了19.1%的光电转换效率和高达81.2%的填充因子，超过了基于2PACz的参比器件。此外，基于Poly-2PACz的OSCs表现出优异的光照稳定性，在连续照射1400小时后依旧可以保持80%以上的初始效率。该工作提出了一种开发高性能空穴传输材料的新策略，推动开发更高效、更稳定的有机太阳能电池。
有机太阳能电池（OSCs）具有低成本、柔性、轻薄等优势，是一种具有广泛应用潜力和应用前景的可再生光伏技术。尽管OSCs在效率方面取得了显著进展，但其稳定性仍然是一个重要问题。有机材料在长时间的光照、湿度和温度变化等环境条件下可能会发生降解，导致器件性能的下降。因此，提高OSCs的稳定性是实现商业化应用的关键之一。目前采用较多的正式有机太阳能电池结构中，空穴传输材料起到至关重要的作用。首先，太阳光最先入射到空穴传输层界面，对空穴传输层的光照稳定性提出了较高的要求；其次，空穴传输层作为活性层的支撑，需要具有较好的均一性和浸润性；此外，空穴传输材料需要有较宽的加工窗口和厚度容忍性，适合大面积产业化生产。
当前应用较广的空穴传输材料包括PEDOT:PSS和自组装单分子材料（SAM）。PEDOT:PSS具有较高的导电性和溶液加工性，但其自身较高的酸性会与有机活性层材料发生反应，进而影响有机太阳能电池的稳定性。磷酸咔唑类SAM材料，如2PACz、4PACz和Me-4PACz等，具有出色的空穴提取能力，但是此类材料依赖形成单分子层，其加工窗口和均一性均有待提高（图1）。
图1. Poly-2PACz的合成路线以及薄膜的紫外吸收光谱图
为了克服这些挑战，南京大学陈尚尚教授课题组开发了一种新型的聚合物空穴传输材料—Poly-2PACz。Poly-2PACz是通过聚合传统2PACz小分子得到的，相比传统的小分子SAM材料2PACz，Poly-2PACz表现出极高的导电性、厚度容忍性和均一性。这些优异的性能显著提高了有机太阳能电池的光照稳定性和可扩展性（图2）。基于Poly-2PACz的有机太阳能电池实现了19.1%的光电转换效率，即使Poly-2PACz的厚度达到50纳米，有机太阳能电池依旧可以实现17%的效率，适合于大面积加工制备，而传统的2PACz SAM材料的可加工窗口仅有5纳米。此外，基于Poly-2PACz的有机太阳能电池具有出色的稳定性，在连续照射1400小时后仍保持了80%以上的初始效率（图3）。
图2. 空穴传输薄膜光电性能表征
图3. 器件效率与空穴传输材料厚度变化趋势图和器件稳定性
综上，陈尚尚教授课题组设计并合成了一种名为Poly-2PACz的新型聚磷酸咔唑高分子材料，并探索了其作为空穴传输层在有机太阳能电池中的应用。Poly-2PACz在几个关键方面表现出色，优于小分子2PACz。它展现出卓越的导电性能、对层厚变化的高容忍性以及更好的薄膜均匀性。这些特点均助力于实现高效稳定有机太阳能电池。这项工作为有机太阳能电池中空穴传输材料的设计开辟了一个新方向，推动开发更高效、更稳定的有机太阳能电池。
该工作近期发表于Science China Chemistry。文章第一作者为南京大学博士生任志军和香港科技大学博后罗四维，论文通讯作者为南京大学化学化工学院陈尚尚教授以及香港科技大学颜河教授。详见：Zhijun Ren, Siwei Luo, Xiaoyu Shi, Yunjie Dou, Tianxiao Liu, Lingyuan Wang, Kwok Kiu Tsang, Feifei Wang, Yu Zhao, Yangyang Liu, Xiaodong Hu, Xiaoxiao Peng, Wei Liu, He Yan*, Shangshang Chen*. Efficient and stable organic solar cells enabled by a poly(carbazole phosphonic acid) hole transporter. Sci. China Chem., 2024, doi: 10.1007/s11426-024-2054-8.
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