垂直排列的共轭聚合物纳米结构可为平面外的电荷传输提供高效的一维通道，并有利于形成理想的互穿异质结，尤其适用于太阳能电池、传感器及垂直晶体管等光电器件。然而，由于共轭聚合物的柔韧性，构建垂直结构通常依赖于纳米压印光刻技术和模板辅助等技术，这些方法往往涉及复杂的工艺和严苛的实验条件。此外，这些方法还受限于模板的移除，以及模板移除诱发的纳米结构坍塌问题。目前仍缺乏一种简单高效的策略来制备聚合物纳米阵列，以此彰显共轭聚合物微观形貌对材料基本性质和应用的重大影响。

近日，课题组在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表题为“Surface-Emanated Vertical Organic Semiconducting Nanobrushes”的研究论文。该工作将垂直排列的共轭聚合物纳米刷作为电子传输层用于反向有机太阳能电池，实现了18.51%的光电转换效率，为目前报道的反向有机太阳能电池的最高效率值之一。

共轭聚合物垂直纳米胶束刷的生长：

共轭聚合物垂直纳米刷在基底上的生长可通过简单的两步实现：首先将聚(9,9-二己基芴-嵌段-聚(2-乙烯基吡啶) (PF-b-P2VP)的胶束晶种滴涂在ITO导电玻璃表面，随后将其浸泡在四氢呋喃/乙醇溶液中，加入聚(9,9-二己基芴-嵌段-季铵化的聚(3-己基噻吩) (PF-b-QPT)，8小时后，经超临界干燥即可形成垂直取向的，尺寸均一、可控的PF-b-QPT纳米刷（图1）。

图1. 晶种诱导限域自组装制备垂直取向的PF-b-QPT纳米刷

与对应的薄膜相比，PF-b-QPT纳米刷展现出了更高的结晶性、导电性、载流子迁移率，优异的力学性能以及更小的能量无序性。此外，PF-b-QPT纳米刷在ITO上的原位垂直生长，能够提供定向的电荷传输通道至电极，这使得它们成为反向有机太阳能电池中理想的电子传输层，极大优化了电荷的收集和传输效率。PF-b-QPT纳米刷还可被氧化锌(ZnO)纳米粒子进一步修饰，这种杂化纳米刷的引入使得基于PM6:Y6的反向有机太阳能电池的PCE提高到了17.04%。更令人欣喜的是，杂化纳米刷可将基于D18:L8-BO的反向太阳能电池的PCE提高到18.51%，为反向有机太阳能电池目前报道的最高效率值之一（图2）。

图2. PF-b-QPT纳米刷在有机太阳能电池中的应用

文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c16540