聚合Y系列非富勒烯受体作为高效倒置钙钛矿太阳能电池的稳健电子传输层

针对钙钛矿太阳能电池(PVSCs)中富勒烯电子传输层(ETL)存在的界面兼容性差和热稳定性不足问题，香港城市大学Alex K.-Y. Jen团队设计开发了聚合Y系列非富勒烯受体(PY-NFAs)。通过增强分子间π-π堆叠和调控分子内构象，PY-NFAs实现了25.81%的功率转换效率(PCE)和优异的热稳定性，为高效稳定倒置PVSCs提供了新策略。

　　

钙钛矿太阳能电池(PVSCs)作为第三代光伏技术的代表，其性能核心取决于电子传输层(ETL)的质量。传统富勒烯衍生物(如PCBM)虽具有高电子迁移率，但存在界面兼容性差、热应力下易聚集等缺陷，导致器件稳定性受限。与此同时，有机光伏领域兴起的非富勒烯受体(NFAs)展现出能级可调、界面结合力强等优势，但单体Y系列NFAs因玻璃化转变温度(T_g)较低，仍面临热稳定性挑战。香港城市大学的研究团队创新性地提出聚合Y-NFAs(PY-NFAs)解决方案，相关成果发表在《Joule》上。

研究采用Stille偶联反应合成PY-Th和PY-Pz两种聚合物，通过溶液预聚集调控薄膜有序性，结合DFT计算和GIWAXS分析分子堆叠行为。利用稳态/瞬态光谱表征载流子动力学，并构建不同尺寸(0.1-1 cm²)的倒置器件验证普适性。

【分子性质】
PY-NFAs通过π桥(噻吩/吡嗪)连接Y-Br单体形成聚合物链。DFT计算显示PY-Pz的二面角(1.8°)显著小于PY-Th(11.0°)，源于N?H非共价作用增强分子平面性。溶液态预聚集行为使薄膜中face-on取向π-π堆叠距离缩短至3.5 ?，较单体Y-Br提升约15%。

【器件性能】
基于PY-Pz的器件实现25.81%的认证PCE(85% FF)，EQE积分效率达24.94%。热稳定性测试表明，PY-NFAs的T_g提升至180°C以上，85°C老化1000小时后仍保持初始PCE的92%，而PCBM对照组衰减至65%。

【机制分析】
瞬态吸收光谱(TA)揭示PY-Pz界面电子提取速率达10¹² s^-1量级。Kelvin探针力显微镜(KPFM)证实其表面电势差降低40 mV，有效钝化钙钛矿缺陷。分子动力学模拟表明吡嗪桥增强的共平面性使载流子迁移率提升3倍。

该研究开创性地将聚合物设计理念引入PVSCs的ETL领域，通过"预聚集调控堆叠-桥连单元优化构象"的双重策略，同步解决效率与稳定性难题。PY-NFAs对MA/FA/Cs多种钙钛矿组分均表现出普适性，其分子工程思路为新一代有机电子传输材料设计提供了范式。