电荷传输层材料优化是提高聚合物太阳能电池性能关键一环，它可以用于保护活性层，防止空气中水和氧对活性层的破坏。由于具有相匹配的功函数、高电子迁移率、溶液加工特性和高透明度，ZnO广泛用于制备电子传输层（ETL）。目前，ZnO制备的方法主要有溶胶凝胶法、ZnO纳米粒子法。ZnO纳米粒子法制备的电子传输层厚度较大，会降低电子迁移率，此外，ZnO纳米粒子的分散液会发生团聚现象、疏水表面上堆积的亲水纳米粒子会造成电子传输层薄膜厚度不均匀，导致载流子萃取效率的降低。
为了解决上述问题，电子科技大学于军胜团队联合马萨诸塞大学阿默斯特分校的Thomas P. Russell教授团队向ZnO纳米粒子分散液中加入聚苯乙烯（PS）制备出厚度大于100nm的电子传输层。研究了厚度超过130nm的ZnO纳米粒子电子传输层的电子传输容量、与活性层界面接触和稳定性等问题。
在典型的富勒烯基活性层体系中，PS修饰ZnO纳米粒子电子传输层可以使器件的能量转换效率（PCE）从8.49%提升到9.54%；基于典型非富勒烯基体系中，PS修饰ZnO纳米粒子电子传输层可以使器件的能量转换效率从10%提升到11.05%。这项研究提供了一种充满前景的制造高品质电子传输层的方法，对于促进聚合物太阳能电池的商业化应用有重要意义。
该研究以题为“Polymer-Modified ZnO Nanoparticles as Electron Transport Layer for Polymer-Based Solar Cells”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
【ZnO纳米粒子电子传输层结构和光伏性能变化】
SEM的结果显示，纯ZnO纳米粒子电子传输层会存在纳米粒子的聚集情况；掺杂8wt%的PS到ZnO纳米粒子电子传输层中ZnO纳米粒子分散均匀；但是当PS的含量增加到16wt%时，会出现PS的聚集。同时，在加入PS后，电子传输层的接触角增大，这说明电子传输层的疏水性提高，电子传输层的载流子萃取能力提高。另外，根据PL结果显示，在746nm的峰有所下降，说明更少电荷载流子在活性层与电子传输层的界面处结合，电子萃取能力得到明显提升。纯ZnO纳米粒子电子传输层的PCE为8.49%，JSC为16.72mA/cm2，FF为62.91%；当加入8wt%PS后，PCE提高到9.54%，JSC提升到17.71mA/cm2，FF提高到66.93%。
【器件的稳定性和机械耐久性的变化】
与此同时，作者还分析了加入PS的电子传输层对于器件稳定性的影响。在室温和湿度范围在60-80%的条件下，作者对PSCs进行16天的老化处理。结果显示，使用纯ZnO纳米粒子电子传输层的PSCs器件PCE仅为初始的56%，稳定性较差；而加入8wt%PS后，PSCs器件的PCE是初始的82%，稳定性较好。作者认为器件稳定性的提升是因为PS疏水，同时降低表面粗糙度填充了缝隙。作者还测试PS对于器件机械强度的影响。作者将PSCs制备在PEN上，对器件进行100次弯曲循环。根据SEM结果显示，纯的ZnO纳米粒子电子传输层经过弯曲后出现了大量针孔状的孔洞，而添加了8wt%PS的ZnO纳米电子传输层在弯曲前后几乎没有变化。经过300次弯曲循环，掺杂PS的器件PCE保持恒定，而未掺杂PS的器件则下滑了82%。
总结：作者通过向ZnO纳米粒子分散液加入PS溶液制备出掺杂PS的ZnO纳米粒子电子传输层，使电子传输层的PCE得到提升，与活性层界面接触情况得到改善，器件的稳定性和机械耐久性也得到提高。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202002932
