華工Nat. Energy：低聚物受體提高有機太陽能電池穩定性和效率

2022年11月13日00:38:13 科學 1466

第一作者：Youcai Liang, Difei Zhang

通訊作者：李寧, 黃飛

通訊單位：華南理工大學

【研究亮點】

有機太陽能電池（OSC）的功率轉換效率已達到19%以上。然而，共同實現高效和長期穩定性仍是巨大挑戰。在此，Y6-類似物和 2,2'-聯噻吩單體被用作構建一系列低聚物受體，以研究分子大小和堆積特性對光伏性能的影響。通過改變分子鏈長度，能改變熱性能、結晶行為和分子堆積，並在共混薄膜中實現最佳的微觀結構和更穩定的形態。基於低聚物受體的二元 OSC 實現了超過 15% 的效率和超過 25000 h的外推 T80 壽命。

【主要內容】

本體異質結 (BHJ) 有機太陽能電池 (OSC) 因其在分散式光伏應用中的巨大優勢而引起廣泛的研究興趣，顯示出補充傳統太陽能技術的巨大潛力。近年來，由於小分子非富勒烯受體（SM-NFA）的快速發展，OSCs的功率轉換效率（PCEs）正在經歷一場革命，其在分子設計，近紅外區域的互補吸收和聚合物供體的合適能級顯示出無限可能。特別是 Y6 及其衍生產品，作為 SM-NFA 中最重大的突破之一，將單結 OSC 的 PCE 提升至 19% 的水平。然而，為了實現商業化產品和應用，OSCs 的 PCE 前景廣闊應該伴隨着出色的穩定性。儘管基於 Y6 及其類似物的 OSC 效率很高，但這些 Y 系列 SM-NFA 固有的低玻璃化轉變溫度 (Tg) 和高擴散特性容易在 OSC 的活性層內形成動力學不穩定的形態，是實現長期穩定的障礙。

為了解決 BHJ 活性層的形態不穩定性，一種簡單而優雅的策略是通過聚合 SM-NFA 構建聚合物受體，它可以繼承前體 SM-NFA 的優點，例如近紅外區域的高消光係數，相當高的電子遷移率，將所有聚合物太陽能電池 (APSC) 的 PCE 提高到約 17% 的水平。儘管 APSC 在熱應力或光照下比基於 SM-NFA 的 OSC 表現出更好的穩定性，但聚合物受體的特性部分取決於批次和分子量，與基於系統的系統相比，這增加APSC 器件加工的不確定性，限制 APSC 的開發和商業化。

為了同時規避 SM-NFA 和聚合物受體的固有問題，開發具有高 Tg 的新型材料並且一定的化學結構是非常必要的。在聚合物物理學中，通常認為分子鏈的延伸會限制分子鏈的運動，尤其是低分子量的低聚物。因此，精確定義的低聚物也有望提高 SM-NFA 的 Tg 並在有源層中形成穩定的形態，決定OSC 的使用壽命。儘管研究人員報道了 T80 超過 10000 h 的 OSC，但構建兼具高效率和長壽命並滿足實際應用需求的 OSC 仍然具有挑戰性。不可避免地，關於能否同時實現高效率和長期穩定性存在一些爭議。

在這裡，為了評估設計具有低聚物受體的穩定高效的 OSC 的可行性，並了解分子水平的結構-功能關係，通過一鍋反應合成一種低聚物，其中 Y6 類似物 (OY1) 作為單體，2,2'-聯噻吩作為 π 橋單元。當使用 PBDB-T 作為電子供體時，所得低聚物受體 OY2、OY3 和 OY4 在光學性質和光伏性能方面與它們的母體 SM-NFA OY1 和相應的聚合物受體 (POY) 存在不明確的差異。然而，在具有不同分子鏈長度的 NFAs 中檢測到不同的熱性質、結晶行為和分子排序。得益於精確調整分子尺寸，OY3 結合了從 OY1 繼承的足夠結晶度和與 POY 相當的熱穩定性，從而在相應的共混膜中實現了優化的微觀結構和穩定的形態。通過光穩定性測試，OSC 在運行超過 1000 h後保留超過 90% 的初始 PCE，外推 T80 超過 25000 h。