有机高分子半导体，凭借其质轻、出色的机械性能及可溶液加工特性，在光电器件中展现出巨大优势
。其中，
n-
型高分子
半导体作为电子传输载体，近年来受到了科研界的广泛关注。这是因为它们不仅能够作为有机晶体管、有机热电器件和有机光伏等有机电子器件的活性层材料，还能够在钙钛矿等光伏器件中作为电子传输材料，优化活性层至阴极的电子提取。近年来，
南方科技大学郭旭岗、冯奎团队
在氰基功能化
n-
型高分子半导体制备与应用方面取得了系列进展，曾多次刷新了
n-
型器件的性能记录（
Acc.
Chem. Res.
2021
,
54
, 3804
；
Adv. Mater.
2022
, 34, 2201340
；
Adv. Mater.
2023
,
35
, 2210847
；
Angew. Chem. Int. Ed.
2024
,
63
, e202408537
；
Angew. Chem. Int. Ed.
2024
,
63
, e202316214
）。
此类氰
基化
n-
型高分子
因具备可调的前
线轨道能级、出色的溶液可加工性、高度的共面性以及垂直于基底的传输取向，在有机晶体管和有机热电器件展现出了优异的迁移率和掺杂电导率
（
J. Am. Chem. Soc.
2021
, 14, 1539−1552；
Mater. Chem. Front.
2023
,
7
, 3803-3819
）
。因此
，
团队认为
，
氰基化双噻吩酰亚胺基
n-
型高分子
极具潜力成为一类高性能的电子传输材料。近日，该团队在
《
Nature Materials
》
期刊上发表了关于氰基化
n-
型高分子作为电子传输材料用于钙钛矿太阳能电池的研究论文。
图
1.
富勒烯和非富勒烯电子传输材料化学结构及其性质对比。
与基准电子传输材料
PCBM
和非氰基化高分子
PBTI2-BTI
相比，氰基化高分子
PCNI2-BTI
具有更优异的光热稳定性，这有利于器件获得更好的热稳定性。在电子传输特性表征中发现，
PCNI2-BTI
不仅具有垂直传输取向，还获得了超过
PCBM
和
PBTI2-BTI 5
倍提升的电子迁移率，表明了其优异的电子传输能力。活性层
/
界面电子动力学研究发现，活性层
/PCNI2-BTI
显示出更低非辐射复合损失、更高的光生电子提取效率以及更低缺陷态密度，这将有利于器件中的短路电流密度和填充因子的提升。通过傅里叶红外光谱仪、拉曼光谱仪和
X
射线光电子能谱仪研究发现，
PCNI2-BTI
能够与钙钛矿活性层中未配位的
Pb
2+
等形成强的螯合作用（如
Pb
…
O
和
Pb
…
CN
等），能够促进电子快速转移。相比之下，
PCBM
和
PBTI2-BTI
与活性层表面显示较弱的相互作用。
图
2.
电子传输
材料特性对比和器件性能与稳定性示意图。
通过使用所设计的氰基化
n-
型高分子作为非富勒电子传输材料，该团队在反式钙钛矿光伏器件中取得了最高
26.1%
（认证值
25.4%
）的光电转换效率值，优于基于
PCBM
的器件（
24.3%
）和基于非氰基取代的
PBTI2-BTI
的器件（
14.1%
）。更为重要的是，基于
PCNI2-BTI
的器件连续加热光照近
1300
小时候仍然保持了
80%
的初始效率，也明显优于基于
PCBM
（
759
小时）和
PBTI2-BTI
（
503
小时）的器件。这项工作为未来电子传输材料的设计提供了重要的思路，为钙钛矿太阳能电池的研究注入了新活力。
该工作以
“Non-Fullerene Electron Transporting Materials for High-Performance and Stable Perovskite Solar Cells”
为题发表
于《自然·材料》（
Nature Materials
）
期刊上
。
南方科技大学
郭旭岗
教授、
冯奎
博士、
廉卿
博士和美国佐治亚理工学院
Antonio Facchetti
教授为通讯作者，
冯奎
博士和澳大利亚悉尼大学
王国良
博士为共同第一作者。本研究得到了国家自然科学基金和深圳市科创局的支持。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-025-02163-4
作者简介：
第一
/
通讯作者：冯奎副研究员，
2018
年博士毕业于四川大学，
2019
年
-2020
年先后在南方科技大学（与武汉大学联培）、香港科技大学从事博士后研究工作。
2021
年加入南方科技大学材料科学与工程系郭旭岗教授团队，主要研究方向为氰基化
n-
型高分子半导体合成与应用。在
Nature
、
Nat. Mater.
、
Acc. Chem. Res.
、
Nat. Comm.
、
J. Am. Chem. Soc.
、
Angew. Chem.
、
Adv. Mater.
等期刊上发表
SCI
论文
7
0
余篇，主持国自然面上
/
省市科研项目合计
7
项。
通讯作者：廉卿副研究员，
20
20
年博士毕业于曼彻斯特大学（英国），
20
20
年
-202
2
年在南方科技大学从事博士后研究工作，
202
3
年至今在南方科技大学材料科学与工程系担任研究助理教授。主要研究方向为载流子传输材料在钙钛矿器件上的应用，目前以第一作者、通讯作者或共同作者在
Nat. Mater.
、
Joule
、
Nat. Commun.
、
Adv. (Energy/Funct.) Mater.
、
Adv. Sci.
等期刊上发表
SCI
论文
4
0
余篇，主持国自然青年基金。
通讯作者：郭旭岗教授，
2012
年加入南方科技大学工作，
2013
年入选深圳市孔雀计划
B
类人才，
2018
年被评为广东省珠江学者特聘教授，
2020
年入选深圳市地方级领军人才，
2022
年入选国家级人才项目。入选科睿唯安（
Clarivate
）
2023
、
2024
年度全球“高被引科学家”（
Highly Cited Researchers
）。主要研究领域为有机半导体材料与光电器件，特别是
n
-
型高分子半导体材料与器件，发现了有机半导体的催化
n-
型分子掺杂技术。在
Nature
（
3
篇）、
Nat
.
Mater.
（
3
篇）、
Nat
.
Photon.
、
Nat
.
Energy
、
Chem. Rev.
、
Acc. Chem. Res.
、
Acc. Mater. Res.
、
Nat.
Commun.
、
J. Am. Chem. Soc.
、
Angew.
Chem.
、
PNAS
、
Adv.
Mater.
、
Joule
等期刊发表论文
200
余篇，受
Acc. Chem. Res.
、
Acc. Mater. Res.
、
Chem. Rev.
、
Nature Mater.
、
Nature Energy
、
Chem
、
Angew.
Chem.
、高分子学报等期刊约稿撰写专论、展望及综述。
相关进展
