1　引言

介绍了有机太阳能电池（OSCs）的光电转换效率（PCE）已超过19%，主要得益于光活性材料的快速发展。氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）作为ETL材料广泛应用于OSCs，但存在表面缺陷和易吸附氧等问题，影响效率和稳定性。聚乙烯亚胺（PEI）作为表面改性剂，可与ZnO NPs复合，实现表面缺陷钝化、抑制PEI反应活性和调节能级匹配。本文通过水热法合成PEI包覆ZnO纳米颗粒（ZnO@PEI NPs），研究其微观形貌、表面结构和光学性能，以及作为ETL制备的OSCs的光伏性能和稳定性，揭示了ZnO@PEI NPs结构对器件性能的影响，实现了OSCs空气和紫外稳定性的同步提升。

2　实验

详细描述了聚乙烯亚胺(PEI)包覆氧化锌(ZnO)电子传输材料的合成过程，包括颗粒沉淀法制备ZnO NPs和水热反应合成ZnO@PEI NPs。实验中通过不同比例的PEI与ZnO NPs混合，观察到掺杂PEI的样品在反应后呈现淡黄色沉淀，而未掺杂的ZnO NPs则无明显变化，初步证实了ZnO@PEI NPs的成功合成。此外，还介绍了有机光伏电池(OSCs)的器件制备流程，包括ITO玻璃的清洗和紫外-臭氧处理、ETL的旋涂和热退火、活性层的制备和蒸镀以及电极的沉积。最后，通过一系列分析测试，如透射电镜、傅里叶变换红外光谱、紫外-可见光谱、X射线光电子能谱、紫外光电子能谱、J-V曲线测量、外量子效率测试和台阶仪测量，对合成材料的微观形貌、表面官能团、光学性能、元素组成、化学态、电子结构、界面性质、表面电荷状态以及器件性能进行了全面表征。

3　结果与讨论

详细描述了通过颗粒沉淀法合成的ZnO纳米颗粒(NPs)与聚乙烯亚胺(PEI)进行水热反应制备的ZnO@PEI NPs的形貌与微观结构。利用透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察到ZnO NPs为球形，平均直径约为12.34纳米，而ZnO@PEI NPs的平均粒径为14.51纳米，表面附着了一层无定形的PEI壳层。元素分析显示Zn、O、N元素在样品中均匀分布，证实了PEI在ZnO NPs表面的均匀包覆。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)分析了ZnO@PEI NPs的元素组成和化学结构，发现PEI中的氨基与ZnO NPs晶格中的Zn原子之间存在配位作用，改变了ZnO NPs的表面电子态。

在有机太阳能电池(OSCs)的应用方面，研究了ZnO@PEI NPs作为界面材料对器件性能的影响。使用三元体系活性层的OSCs，发现ZnO@PEI NPs基器件的光电转换效率(PCE)为15.06%，略低于ZnO NPs基器件的15.46%。通过紫外光电子能谱(UPS)测试表明，ZnO@PEI NPs的功函数提高，减弱了电池内部电场驱动力，增加了电子传输阻力，导致器件的开路电压(VOC)降低。在不同光照强度下测试的J-V曲线表明，ZnO@PEI NPs基器件的双分子复合程度与ZnO NPs基器件接近，但存在更多的陷阱辅助复合。

激子解离和载流子收集测试显示，ZnO@PEI NPs作为电子传输层(ETL)的OSCs的激子解离概率和电荷收集概率略低于ZnO NPs为ETL的器件。暗态J-V曲线分析表明，ZnO@PEI NPs基器件具有更大的串联电阻和并联电阻，影响了光生电流的输出。电化学阻抗谱(EIS)测试结果表明，ZnO@PEI NPs作为ETL的OSCs具有更高的载流子复合电阻，表明PEI包覆抑制了ZnO NPs的表面缺陷。空间电荷限制电流(SCLC)方法测试了ETL的电子迁移率，结果表明PEI包覆降低了ZnO NPs的导电性。

综上所述，ZnO@PEI NPs的合成和表征结果表明PEI成功包覆在ZnO NPs表面，有效钝化了表面缺陷，并通过配位作用改变了ZnO NPs的表面电子态。然而，在OSCs应用中，虽然PEI包覆提高了电池的稳定性，但也导致了器件性能的下降，主要由于功函数的提高、载流子传输阻力的增加以及激子解离和载流子收集能力的降低。

4　结论

总结了通过水热法合成的ZnO@PEI NPs作为ETL在PM6∶BO-4Cl∶PC61BM基OSCs中的应用，虽然PCE略低于使用ZnO NPs的器件，但ZnO@PEI NPs显著提升了器件的空气和紫外稳定性。老化测试显示，ZnO@PEI NPs器件性能下降幅度远小于ZnO NPs器件，归因于PEI包覆有效阻挡了水分和氧气侵蚀，抑制了光催化反应。研究提出了一种提高OSCs稳定性的有效策略，并提供了实现稳定OSCs的新思路。