反式钙钛矿太阳能电池因其低温加工性、低滞后效应和易于作为串联器件而备受关注。阴极界面的界面接触和能级势垒是反式钙钛矿太阳能电池发展的关键挑战之一。本文合成了一种苝二亚胺基离子聚合物PNPDI，其具有良好的成膜性和导电性、以及适当的LUMO能级，将其作为阴极界面层可以起到改善界面接触，降低能级势垒，抑制离子迁移的作用，相应太阳能电池器件的最优功率转换效率可达20.03%。基于Bphen的阴极界面层具有很强的阴极功函数调节能力，但其表现出较差的成膜性能。因此，通过将Bphen和PNPDI组合成一个复合阴极界面层，可以获得1+1>2的协同效应。通过使用Bphen和PNPDI的混合阴极界面层，器件性能得到了进一步提升，器件的最优功率转换效率可达21.46%。此外，致密疏水的混合阴极界面层显著增强了器件对碘离子和水分的抵抗力，从而大大增强了器件的稳定性。简言之，本文制备了一种成膜性良好的新型离子聚合物PNPDI，通过将其与Bphen的共混的策略实现了实现了倒置钙钛矿太阳能电池性能的提升，证明设计新型PDI聚合物以及Bphen+PDI聚合物混合阴极界面层是获得高效阴极界面层材料的一种有效策略。

近期，哈尔滨工业大学叶腾凌副教授课题组设计合成了一种新型高效的离子聚合物（PNPDI）作为反式钙钛矿太阳能电池的阴极界面层。这种离子聚合物不仅具有致密均匀的薄膜形貌，而且具有适当的LUMO水平和高导电性，这确保了电子的有效提取和传输。当在PNPDI中掺杂Bphen时，Bphen可以进一步降低阴极界面层/Ag界面的能垒，从而提高倒置钙钛矿太阳能电池的V_oc和J_sc。更重要的是，混合阴极界面层显示出抑制碘离子迁移和阻挡水分的能力，这同时保护了Ag和吸光层，使钙钛矿太阳能电池具有出色的稳定性。该论文以“A novel perylene diimide-based ionene polymer and its mixed cathode interlayer strategy for efficient and stable inverted perovskite solar cells”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上。

我们设计合成了一种离子型聚合物PNPDI和两个对比小分子NPDI和NPDI-Br,分子结构如图1（a）。PNPDI是通过NPDI与二溴丙烷单元共聚制备的，在湾位引入烷基季铵盐作为桥接基团，在酰胺位引入异辛基。烷基链段都可以增加空间位阻效应，抑制PDI核的π-π聚集以及聚合物链之间的缠结，季铵盐基团确保了聚合物在极性溶剂中的良好溶解性，因而PNPDI表现出良好的成膜性能。此外，溴离子被认为是有效的n型自掺杂剂，可以提高PNPDI膜的导电性。NPDI、NPDIBr和PNPDI的紫外-可见（UV-Vis）光谱如图1（b）-（d）所示，PNPDI在650nm左右的吸收峰说明溴离子和PDI骨架之间存在电荷转移,从而增加了PNPDI膜的导电性。图1（e）-（g）为NPDI、NPDIBr和PNPDI薄膜的原子力显微镜图像。PNPDI具有更平滑的形貌，而在NPDI和NPDIBr的膜存在明显的颗粒。这证明聚合策略大大改善了PNPDI的成膜性能。

图1.（a）NPDI、NPDIBr和PNPDI的分子结构；（b）-（d）NPDI、NPDIBr和PNPDI在三氟乙醇溶液（1×10^-4M、1.5×10^-4M和2.0×10^-4M）中的吸收光谱；（e）-（g）NPDI、NPDIBr和PNPDI薄膜的AFM图像。

如图2（c）所示，与无阴极界面材料的器件相比，基于Bphen和基于PNPDI的器件效率的均大幅提高。基于Bphen的反式器件的最佳PCE为19.48%，FF为73.51%，J_sc为22.46mA cm^-2，Voc为1.18V。通过使用PNPDI作为阴极界面，FF和Jsc分别提高到76.45%和23.17mA cm^-2，而V_oc降低到1.13V，获得了20.03%的PCE。基PNPDI良好的界面接触和较高的电导率使器件具有较高的FF和Jsc。Bphen的功函数调节能力使器件具有较高的Voc。通过混合阴极界面策略，将PNPDI良好的成膜性、导电性与Bphen的功函数调节能力相结合，产生1+1>2的协同效应，器件效率从20.03%进一步提高到21.46%。与基于PNPDI的器件相比，所有关键的J-V参数都得到了改善。如图2（h），具有混合阴极界面的器件在1500小时内也表现出非常好的稳定性，PCE仅损失1.3%，在6600小时内PCE剩余72.8%，而基于Bphen和PNPDI的器件在840小时后仅具有初始PCE的80%和68%，这得益于混合界面层对碘离子迁移和水分侵蚀的抑制，同时保护了银电极和吸光层。

图2.（a）太阳能电池的横截面SEM图像；（b）器件的能量水平；（c）基于PNPDI、Bphen、PNPDI+20wt%Bphen的最佳器件的J-V曲线；（d）不同掺杂比例的器件性能数据分布；（e）基于Bphen、PNPDI和PNPDI+20wt%Bphen的25个器件的PCE分布统计；（f）基于PNPDI、Bphen、PNPDI+20wt%Bphen的外量子效率；（g）具有不同界面层的器件的稳态输出电流；（h）基于PNPDI、Bphen、PNPDI+20wt%Bphen的器件的长期稳定性。

如图3所示，V_oc-P和J_sc-P曲线表明混合界面材料降低了阴极界面处的缺陷密度，这得益于混合界面材料良好的膜形态改善了界面接触。稳态和瞬态光致发光表明，混合界面材料可以有效地增强电子从钙钛矿层到阴极的提取和传输。UPS测试表明混合界面材料有效的降低了银电极的功函数，减小了从电子传输层和银电极的能量损失，从而提高器件的光伏性能。

图3.（a）V_oc-P和（b）J_sc-P曲线；（c）具有不同界面层的纯电子器件的J-V曲线；（d）用PCBM、PCBM/Bphen、PCBM/PNPDI和PCBM/混合阴极界面层涂覆的钙钛矿膜的稳态光致发光光谱；（e）用PCBM、PCBM/Bphen、PCBM/PNPDI和PCBM/混合阴极界面层涂覆的钙钛矿膜的时间分辨光致发光光谱；（f）银电极和Bphen、PNPDI和混合阴极界面层修饰银电极的UPS曲线；（g）不同阴极界面层/Ag的能级；（h）PCBM和不同阴极界面层/Ag的能级结构。

作者设计并合成了一种新型高效的离子型聚合物（PNPDI）作为反式钙钛矿太阳能电池的阴极界面层。这种离子型聚合物不仅具有致密均匀的薄膜形貌，而且具有匹配的能级结构和高导电性，确保了电子的有效提取和传输。PNPDI被证明是一种用于钙钛矿太阳能电池的优良阴极界面层，PCE为20.03%。当在PNPDI中掺杂Bphen时，Bphen可以进一步降低阴极界面的能垒，从而提高V_oc和J_sc。最终优化的器件的PCE为21.46%，这是所有基于PDI界面材料的钙钛矿太阳能电池中的最高效率。更重要的是，混合阴极界面层具有抑制碘离子迁移和阻挡水分的能力，这同时保护了银电极和吸光层。钙钛矿太阳能电池具有出色的稳定性，N₂气氛下放置1500小时，效率没有显著衰减。总之，离子聚合物PNPDI及其与Bphen的共混物被证明是反式钙钛矿太阳能电池中有效的阴极界面层材料。设计新型PDI聚合物以及Bphen+PDI聚合物混合阴极界面层是获得高效阴极界面层材料的一种有效策略。