中国科学院化学所侯剑辉/崔勇Joule：醇分散导电聚合物用于高性能有机光伏电池 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

2026年1月26日，中国科学院化学研究所的侯剑辉研究员和崔勇研究员等在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题目为“Alcohol-dispersed Conductive Polymer for High-Performance Organic Photovoltaic Cells”的文章，系统研究了异丙醇分散的导电聚合物PEDOT-OH:PSS的分子设计与合成过程，揭示了羟甲基化EDOT单体通过强氢键相互作用在醇相中实现稳定分散的机理，并解决了传统水相PEDOT:PSS在疏水表面浸润性差及强酸性腐蚀界面的难题。

作者据此成功制备了具有优异浸润性和低酸性的异丙醇相导电聚合物，并基于此制备了柔性模组及高效叠层有机光伏电池。其中，柔性模组实现了15.0%的效率，而正向结构的叠层器件则实现了高达21.7%的光电转换效率（认证效率21.5%），创造了目前有机光伏领域的最高纪录。该工作为开发高效、柔性及可规模化生产的有机光伏技术提供了强有力的界面材料支撑。论文第一作者为王冠霖，共同通讯作者为崔勇、侯剑辉。

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研究背景

有机光伏（OPV）电池因其轻质、柔性及可溶液加工等特性而备受关注。在高效OPV电池中，PEDOT:PSS是应用最广泛的空穴传输材料，但其传统的水分散性质限制了其在高性能器件中的进一步应用。水的高表面张力导致其在疏水性塑料基底上浸润性极差，难以适应大面积卷对卷印刷工艺。此外，水溶液中PSS的高度电离会产生强酸性环境，极易腐蚀底层的金属氧化物电子传输层（如ZnO），严重阻碍了高质量中间连接层的构建及叠层器件的性能优化。因此，开发能够替代水相材料的高性能醇相分散导电聚合物，对于突破柔性器件加工瓶颈及提升叠层电池性能至关重要。

本文要点

要点一：基于氢键策略的分子设计，合成稳定的异丙醇分散导电聚合物

作者提出了通过引入亲水基团来调控溶质-溶剂相互作用的分子设计策略。作者发现，采用羟甲基修饰的EDOT-OH作为单体，可利用羟甲基与异丙醇（IPA）及PSS之间形成的强氢键网络，显著增强聚合物链在醇溶剂中的亲和力。这种设计有效克服了传统PEDOT在醇相中因静电稳定作用减弱而易沉淀的难题，成功合成了具有长期分散稳定性的PEDOT-OH:PSS。实验结果表明，该醇相导电聚合物在电导率、功函数及透光率等光电性质上均与商业化水相PEDOT:PSS相当，证明了该分子设计在保持材料本征性能的同时实现了溶剂体系的根本性转变。

图1. PEDOT-OH:PSS (IPA)的设计与合成。

图2. 两种空穴传输材料的化学性质。

要点二：增强疏水界面浸润性，实现高效大面积柔性模组制备

作者进一步发现，得益于异丙醇低表面张力（~20-30 mN m⁻¹）的特性，PEDOT-OH:PSS在疏水基底上展现出极佳的浸润性能。在未经处理的PET/ITO疏水表面，其接触角低至16.1°，远优于水相PEDOT:PSS的88.4°，且无需复杂的表面处理即可形成均匀、连续且低粗糙度的薄膜。基于此优势，作者采用全空气环境下的刮涂工艺制备了面积为32.0 cm²的柔性光伏模组，实现了15.0%的能量转换效率，且EQE mapping显示出优异的大面积均匀性，充分验证了该材料在规模化柔性器件制备中的潜力。

图3. 导电聚合物的化学性质及柔性模组性能。

要点三：显著抑制酸性腐蚀，构建高质量全溶液加工中间连接层

作者比较了水相与醇相体系中PSS的电离行为，发现异丙醇的低介电常数显著抑制了PSS的解离，从而大幅降低了分散液的酸性。电化学阻抗谱测试显示，PEDOT-OH:PSS的电荷转移电阻远高于水相材料，证实了酸性的减弱。这一特性使得PEDOT-OH:PSS能够直接旋涂于ZnO层之上而不会引起界面腐蚀或化学降解，从而成功构建了结构完整、接触良好的ZnO/PEDOT-OH:PSS中间连接层，且具有优异的光学透明度，为高效叠层电池的制备奠定了基础。

图4. 基于ZnO/PEDOT-OH:PSS的中间连接层特性。

要点四：OPV叠层电池效率刷新纪录

作者基于所开发的醇相导电聚合物及新型中间连接层，制备了正向结构的叠层有机光伏电池（前子电池:PB2:FTCC-Br/后子电池:PBDB-TF:BTP-eC9:HDO-4Cl）。由于连接层的高透光率和低电阻损耗，该叠层电池实现了开路电压、短路电流和填充因子的协同提升。最终，器件实现了高达21.7%的光电转换效率，并获得了中国计量科学研究院（NIM）21.5%的认证，这是目前有机光伏领域的最高报道效率。这些结果证明，通过分子设计实现的醇相导电聚合物不仅解决了加工难题，更在提升器件光伏性能方面展现出巨大优势。

图5. 叠层有机光伏电池的光伏性能。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule，

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