华工Nat. Energy：低聚物受体提高有机太阳能电池稳定性和效率

第一作者：Youcai Liang, Difei Zhang

通讯作者：李宁, 黄飞

通讯单位：华南理工大学

【研究亮点】

有机太阳能电池（OSC）的功率转换效率已达到19%以上。然而，共同实现高效和长期稳定性仍是巨大挑战。在此，Y6-类似物和 2,2'-联噻吩单体被用作构建一系列低聚物受体，以研究分子大小和堆积特性对光伏性能的影响。通过改变分子链长度，能改变热性能、结晶行为和分子堆积，并在共混薄膜中实现最佳的微观结构和更稳定的形态。基于低聚物受体的二元 OSC 实现了超过 15% 的效率和超过 25000 h的外推 T80 寿命。

【主要内容】

本体异质结 (BHJ) 有机太阳能电池 (OSC) 因其在分散式光伏应用中的巨大优势而引起广泛的研究兴趣，显示出补充传统太阳能技术的巨大潜力。近年来，由于小分子非富勒烯受体（SM-NFA）的快速发展，OSCs的功率转换效率（PCEs）正在经历一场革命，其在分子设计，近红外区域的互补吸收和聚合物供体的合适能级显示出无限可能。特别是 Y6 及其衍生产品，作为 SM-NFA 中最重大的突破之一，将单结 OSC 的 PCE 提升至 19% 的水平。然而，为了实现商业化产品和应用，OSCs 的 PCE 前景广阔应该伴随着出色的稳定性。尽管基于 Y6 及其类似物的 OSC 效率很高，但这些 Y 系列 SM-NFA 固有的低玻璃化转变温度 (Tg) 和高扩散特性容易在 OSC 的活性层内形成动力学不稳定的形态，是实现长期稳定的障碍。

为了解决 BHJ 活性层的形态不稳定性，一种简单而优雅的策略是通过聚合 SM-NFA 构建聚合物受体，它可以继承前体 SM-NFA 的优点，例如近红外区域的高消光系数，相当高的电子迁移率，将所有聚合物太阳能电池 (APSC) 的 PCE 提高到约 17% 的水平。尽管 APSC 在热应力或光照下比基于 SM-NFA 的 OSC 表现出更好的稳定性，但聚合物受体的特性部分取决于批次和分子量，与基于系统的系统相比，这增加APSC 器件加工的不确定性，限制 APSC 的开发和商业化。

为了同时规避 SM-NFA 和聚合物受体的固有问题，开发具有高 Tg 的新型材料并且一定的化学结构是非常必要的。在聚合物物理学中，通常认为分子链的延伸会限制分子链的运动，尤其是低分子量的低聚物。因此，精确定义的低聚物也有望提高 SM-NFA 的 Tg 并在有源层中形成稳定的形态，决定OSC 的使用寿命。尽管研究人员报道了 T80 超过 10000 h 的 OSC，但构建兼具高效率和长寿命并满足实际应用需求的 OSC 仍然具有挑战性。不可避免地，关于能否同时实现高效率和长期稳定性存在一些争议。

在这里，为了评估设计具有低聚物受体的稳定高效的 OSC 的可行性，并了解分子水平的结构-功能关系，通过一锅反应合成一种低聚物，其中 Y6 类似物 (OY1) 作为单体，2,2'-联噻吩作为 π 桥单元。当使用 PBDB-T 作为电子供体时，所得低聚物受体 OY2、OY3 和 OY4 在光学性质和光伏性能方面与它们的母体 SM-NFA OY1 和相应的聚合物受体 (POY) 存在不明确的差异。然而，在具有不同分子链长度的 NFAs 中检测到不同的热性质、结晶行为和分子排序。得益于精确调整分子尺寸，OY3 结合了从 OY1 继承的足够结晶度和与 POY 相当的热稳定性，从而在相应的共混膜中实现了优化的微观结构和稳定的形态。通过光稳定性测试，OSC 在运行超过 1000 h后保留超过 90% 的初始 PCE，外推 T80 超过 25000 h。

图1. 受体的材料表征

表1. 基于与 PBDB-T 混合的不同受体的常规器件的平均 OSC 性能参数

图2. OY1-OY4和POY的器件性能

图3. OY1、OY3和POY的分子堆积行为和光物理性质

图4. Ni–Mo–Nb MGs的稳定性评估

图5. OY3的优势

文献信息

Youcai Liang, Difei Zhang. et al. Organic solar cells using oligomer acceptors for improved stability and efficiency. Nature Energy (2022).

https://doi.org/10.1038/s41560-022-01155-x