電荷傳輸層材料優(yōu)化是提高聚合物太陽能電池性能關(guān)鍵一環(huán)，它可以用于保護活性層，防止空氣中水和氧對活性層的破壞。由于具有相匹配的功函數(shù)、高電子遷移率、溶液加工特性和高透明度，ZnO廣泛用于制備電子傳輸層（ETL）。目前，ZnO制備的方法主要有溶膠凝膠法、ZnO納米粒子法。ZnO納米粒子法制備的電子傳輸層厚度較大，會降低電子遷移率，此外，ZnO納米粒子的分散液會發(fā)生團聚現(xiàn)象、疏水表面上堆積的親水納米粒子會造成電子傳輸層薄膜厚度不均勻，導(dǎo)致載流子萃取效率的降低。
為了解決上述問題，電子科技大學(xué)于軍勝團隊聯(lián)合馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的Thomas P. Russell教授團隊向ZnO納米粒子分散液中加入聚苯乙烯（PS）制備出厚度大于100nm的電子傳輸層。研究了厚度超過130nm的ZnO納米粒子電子傳輸層的電子傳輸容量、與活性層界面接觸和穩(wěn)定性等問題。
在典型的富勒烯基活性層體系中，PS修飾ZnO納米粒子電子傳輸層可以使器件的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）從8.49%提升到9.54%；基于典型非富勒烯基體系中，PS修飾ZnO納米粒子電子傳輸層可以使器件的能量轉(zhuǎn)換效率從10%提升到11.05%。這項研究提供了一種充滿前景的制造高品質(zhì)電子傳輸層的方法，對于促進聚合物太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用有重要意義。
該研究以題為“Polymer-Modified ZnO Nanoparticles as Electron Transport Layer for Polymer-Based Solar Cells”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
【ZnO納米粒子電子傳輸層結(jié)構(gòu)和光伏性能變化】
SEM的結(jié)果顯示，純ZnO納米粒子電子傳輸層會存在納米粒子的聚集情況；摻雜8wt%的PS到ZnO納米粒子電子傳輸層中ZnO納米粒子分散均勻；但是當PS的含量增加到16wt%時，會出現(xiàn)PS的聚集。同時，在加入PS后，電子傳輸層的接觸角增大，這說明電子傳輸層的疏水性提高，電子傳輸層的載流子萃取能力提高。另外，根據(jù)PL結(jié)果顯示，在746nm的峰有所下降，說明更少電荷載流子在活性層與電子傳輸層的界面處結(jié)合，電子萃取能力得到明顯提升。純ZnO納米粒子電子傳輸層的PCE為8.49%，JSC為16.72mA/cm2，F(xiàn)F為62.91%；當加入8wt%PS后，PCE提高到9.54%，JSC提升到17.71mA/cm2，F(xiàn)F提高到66.93%。
【器件的穩(wěn)定性和機械耐久性的變化】
與此同時，作者還分析了加入PS的電子傳輸層對于器件穩(wěn)定性的影響。在室溫和濕度范圍在60-80%的條件下，作者對PSCs進行16天的老化處理。結(jié)果顯示，使用純ZnO納米粒子電子傳輸層的PSCs器件PCE僅為初始的56%，穩(wěn)定性較差；而加入8wt%PS后，PSCs器件的PCE是初始的82%，穩(wěn)定性較好。作者認為器件穩(wěn)定性的提升是因為PS疏水，同時降低表面粗糙度填充了縫隙。作者還測試PS對于器件機械強度的影響。作者將PSCs制備在PEN上，對器件進行100次彎曲循環(huán)。根據(jù)SEM結(jié)果顯示，純的ZnO納米粒子電子傳輸層經(jīng)過彎曲后出現(xiàn)了大量針孔狀的孔洞，而添加了8wt%PS的ZnO納米電子傳輸層在彎曲前后幾乎沒有變化。經(jīng)過300次彎曲循環(huán)，摻雜PS的器件PCE保持恒定，而未摻雜PS的器件則下滑了82%。
總結(jié)：作者通過向ZnO納米粒子分散液加入PS溶液制備出摻雜PS的ZnO納米粒子電子傳輸層，使電子傳輸層的PCE得到提升，與活性層界面接觸情況得到改善，器件的穩(wěn)定性和機械耐久性也得到提高。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202002932
