研究背景:
有机太阳能电池（OSCs）具有轻、柔、薄的优势，并且适用于可穿戴器件，因而受到广泛关注。近年来，由于有机光伏活性层和界面层材料的重要突破以及器件制备工艺的持续优化，有机太阳能电池的光电转换效率（PCE）有了大幅的提高，目前可以达到21%。然而，器件的长期稳定性仍然是有机太阳能电池商业化的障碍。在有机太阳能电池中，反型器件结构可以通过避免使用酸性和吸湿性的PEDOT:PSS来解决电极腐蚀和吸水问题，进而提高器件稳定性。
在反型器件中，氧化锌（ZnO）由于其高电子迁移率、良好的能级匹配性和光学透明度，是光伏器件中极具前景的电子传输层材料。溶胶-凝胶法和溶液合成纳米粒子法是制备ZnO薄膜最常见的方法，但无论哪种方法，通过溶液加工的ZnO薄膜通常含有许多缺陷，这些缺陷充当电荷传输陷阱和复合中心，降低器件的性能。为解决这个问题，一些金属、有机小分子和聚合物被引入ZnO薄膜中，用于薄膜缺陷的钝化和改性。
可穿戴电子器件因其广泛的应用而受到了研究关注，包括在健康检测和智能织物领域。可持续的能源供应是可穿戴电子产品需要解决的一个基本问题，柔性OSCs由于其可弯折性，可以为可穿戴电子器件提供能源。然而，柔性器件通常比刚性器件的光电转换效率低，为了应对这一挑战，器件的每一层都需要具有可弯折特性，包括活性层，界面层和电极。聚合物改性的金属氧化物提供了一种解决方案：将柔性聚合物掺入ZnO薄膜，结合了优异的电学性能和机械柔性。这种方法为可穿戴光伏器件中设计高性能界面材料提供了解决方法。
亮点 Highlights:
本研究使用萘二酰亚胺（NDI）基聚合物两性离子对反型OSCs中的ZnO电子传输层进行改性。NDI单元具有共轭结构，可吸收紫外光，从而减轻紫外光对活性层的破坏。磺基甜菜碱（SB）两性离子官能团赋予NDI基聚合物亲水性，提高其溶解性，增强聚合物的溶液加工性，同时两性离子可以钝化ZnO薄膜中的缺陷。合成的两种聚合物两性离子BZ和CZ都可以有效地钝化薄膜缺陷，提高ZnO薄膜电导率。此外，SB基团的本征偶极矩还可以降低ZnO薄膜的功函数（WF），促进电极和有机活性层之间形成欧姆接触，进而增强载流子提取和传输。聚合物两性离子改性ZnO用于有机太阳能电池的电子传输层，可以显著提高性能，并且增强其稳定性。
使用萘二酰亚胺共轭单元与不同类型的磺基甜菜碱合成聚合物两性离子，磺基甜菜碱两性离子结合苯环的聚合物命名为BZ，结合碳碳双键的聚合物命名为CZ。将聚合物两性离子BZ、CZ和ZnO 纳米粒子溶液按不同质量比结合，研究它们作为反型器件电子传输层的性能（图1）。
在PTB7:PC71BM体系中，与基于ZnO 薄膜的器件相比，聚合物两性离子BZ和CZ改性的ZnO 薄膜作为电子传输层的器件性能显著提高（图2 a, 2 b）。通过研究基于不同质量配比的聚合物两性离子改性ZnO 薄膜的器件性能，我们发现聚合物两性离子的添加质量比为10 wt %时，器件的光电转换效率最佳。在非富勒烯受体活性层PM6:Y6体系中，基于BZ和CZ改性ZnO的器件光电转化效率分别可以达到16.36%和16.50%（图2 c）。在PM6:BTP-eC9体系中，基于BZ和CZ改性ZnO的器件光电转化效率可以达到接近18%（图2 d）。这也证明了聚合物两性离子改性ZnO 作为电子传输层具有良好的普适性。
将未封装的器件存放在手套箱中800小时。如图2 f所示，基于ZnO的器件随着时间推移性能显著下降，这由于ZnO薄膜含有许多缺陷，这些缺陷可以作为电荷传输陷阱和复合中心，加速器件的老化。相比之下，基于BZ和CZ改性ZnO的器件保持了其初始效率的90%。这些结果表明，聚合物两性离子BZ和CZ可以有效钝化ZnO薄膜的缺陷，减少电荷复合的损失。此外，聚合物两性离子BZ和CZ的紫外吸收能力可以有效保护活性层材料免受分解，进而提高器件的稳定性
暗电流（图3 a）和光强依赖性测试（图3 b, 3 c）表明了基于BZ和CZ改性ZnO的器件具有更强的抑制电荷复合能力。瞬态光电压（图3 d）和瞬态光电流（图3 e）测试进一步证明了基于BZ和CZ改性ZnO的器件具有更好的电荷提取能力，抑制电荷复合，降低复合损失，从而优化器件性能。电化学阻抗测试可以表征器件的界面电阻（图3 f），基于BZ和CZ改性ZnO的器件串联电阻明显低于ZnO基器件。串联电阻的显著降低表明，聚合物两性离子改性可以提高ZnO薄膜的电导率和优化界面接触，有助于提高器件的性能。
通过测试ZnO和改性ZnO薄膜的紫外-可见光吸收光谱可知，所有薄膜在可见光（400-700nm）范围内都具有高透射率（约100%），确保在该光谱范围内光子损失最小（图4 a，4 b）。与ZnO薄膜相比，改性ZnO薄膜表现出增强的紫外光吸收能力，可以保护活性层免受紫外光诱导的降解，是提高器件稳定性的关键因素。
X射线光电子能谱研究了BZ和CZ改性ZnO薄膜的元素化学状态。比较分析表明，改性的ZnO薄膜中Zn和O的结合能显著降低（图4 c-f），表明聚合物两性离子与Zn²⁺发生配位作用，钝化了ZnO薄膜的氧空位缺陷。
读后感:
本研究扩展了ZnO电子传输层的聚合物改性剂种类，聚合物两性离子改性是开发有机光伏中高性能金属氧化物传输层的一种较有前景的策略。聚合物两性离子改性的ZnO是柔性和可穿戴电子产品候选材料，它独特地将机械耐久性与优异的电学性能相结合。在未来，聚合物两性离子改性的金属氧化物薄膜将在可穿戴电子产品中具有更广泛的应用。
基金支持:
作者感谢国家自然科学基金委员会 (U21A20101 and 52473164)的资助。
【文献链接】
X. Wang, X. Chang, A. Gao, Y. Guo, H. Yang, J. Wen, Z. You, D. Jeon, T. Emrick, T. P. Russell, Y. Liu, Modification of zinc oxide interlayers with naphthalene diimide-based polymer zwitterions for efficient organic solar cells, Wearable Electronics 2 (2025) 250-258.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950235725000186
期刊介绍：
Wearable Electronics是一本全方位关注可穿戴电子领域发展的开放获取型学术期刊，期刊刊发文章涵盖可穿戴电子的基础研究和技术应用两个方面，内容涉猎广泛，刊发文章包括但不限于：与可穿戴电子相关的材料（基底材料、金属互联材料、活性层材料、封装材料等）、功能器件（传感与探测器件、通讯器件、存储器件、显示与发光器件、能量转换与存储器件、数据采集与集成电路等）以及与之相关的先进制造技术及理论研究（建模、仿真、制造、集成、封装以及与可穿戴电子产品相关的应用技术等），致力于应对可穿戴电子领域及其核心技术出现的各类全新挑战。
目前，期刊已被Ei Compendex，INSPEC，CAS（美国化学文摘），EBSCOhost等数据库收录。
主编和编委团队：
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