Joule：高效有機非富勒烯聚合物太陽能電池器件壽命接近10年

【引言】

基于非富勒烯受體的有機太陽能電池近年來發展迅速。與富勒烯及其衍生物相比，非富勒烯受體具有更易調節的物理化學性質，更有效的光譜利用，以及更小的能量損耗等優勢。ITIC及其多種衍生物（圖一）作為非富勒烯受體材料近年來受到廣泛關注。通過分子結構調控ITIC能級來提高電池能量轉換效率是近年來的研究熱點。協同調節受體和給體的能級已經成功將電池能量轉換效率提高到13%以上。

對于有機太陽能電池的大規模工業化生產和應用，必須綜合考慮能量轉換效率、器件穩定性以及合成難度。因此，在研究分子能級調控對其能量轉換效率影響的同時，也應該關注其對穩定性和合成成本的影響。最近，德國埃爾蘭根-紐倫堡大學Christoph J. Brabec教授的研究團隊從能量轉換效率、器件穩定性和合成復雜度三個方面研究了ITIC及其系列衍生物的工業化可行性，以及分子調控對電池壽命的影響。研究表明，ITIC端基和側鏈修飾對器件穩定性有極大影響，該系列材料中的穩定體系有望達到接近10年的器件使用壽命。最后，作者通過分析工業化指標，指出降低合成成本對于該系列材料的工業化應用前景至關重要，該工作發表在Joule上。文章第一作者為杜曉艷博士，通訊作者為李寧博士和Christoph J. Brabec教授。

圖1. 給體和受體材料的分子結構

【圖文導讀】

該工作中的太陽能電池由程序控制自動進行穩定性測試。測試條件為干燥氮氣氛圍（氧氣和水含量均小于0.5ppm）使用白光LED燈照射，期間溫度控制在30 °C。結果顯示（圖二），ITIC分子結構調控對電池穩定性影響極大。其中，端基氟化的ITIC-2F和側鏈以苯環取代噻吩環的ITIC-Th表現出較好的穩定性，與此相反，ITIC和端基為單個甲基的ITIC-M表現出持續的短路電流和填充因子衰減，而端基有兩個甲基的ITIC-DM在起初幾百個小時以內即有很強的短路電流和填充因子衰減。作者分析了穩定性最好的PCBM、ITIC-2F和ITIC-Th三個體系的T₈₀壽命，結果表明，按照德國南部日平均太陽高峰時段3.3小時來計算，基于ITIC-2F的體系預期使用壽命可接近10年。

圖2. 基于不同受體的太陽能電池在干燥氮氣氛圍中持續光照條件下的穩定性

作者通過進一步的瞬態光電壓譜（TPV）和載流子瞬態抽取測試 (CE)（圖三）揭示了衰減器件中缺陷相關的載流子復合損耗增加。光照線性增壓載流子瞬態法（Photo-CELIV）（圖四）測試進一步說明缺陷態增加導致載流子遷移率下降。為深入理解缺陷態產生的機制，作者研究了僅基于受體材料的電子傳輸器件在相同白光照射下的穩定性。結果表明，基于ITIC-2F和ITIC-Th的電子傳輸器件非常穩定，而基于ITIC-M和ITIC-DM的器件則迅速衰減，這一結果與相應的太陽能電池的穩定性表現出相同的趨勢，說明太陽能電池的穩定性與光照下受體的穩定性相關。傅里葉變換紅外光譜測試（FTIR）證明了ITIC-DM在光照下發生共軛健的斷裂，而光致發光測試（PL）的熒光淬滅也同樣證明了光照下缺陷態的產生。

圖3. 載流子壽命與復合機制在穩定性測試前后的變化

圖4. 光照線性增壓載流子瞬態法（Photo-CELIV）測試電池衰減前后電荷傳輸和抽取的變化

隨后，作者對活性層形貌進行了詳細研究（圖五）。結果發現，基于ITIC的活性層結晶態部分在光照下發生結晶取向的改變，而對于端基和側鏈修飾的ITIC衍生物其結晶部分形貌相對穩定。掠入射小角X射線散射測試（GISAXS）（見原文）則揭示了ITIC-DM在光照下有明顯的聚集態增加，結合電致發光的測試結果，作者確認了非晶態共混相形貌的改變也同時影響了ITIC-DM器件的快速衰減。

圖5. 500小時光照前后體異質結形貌分析

最后，作者綜合評估了該材料體系的能量轉換效率、穩定性以及合成復雜度（表一）。分析表明，合成復雜度的降低對于提高該系列材料的工業化指標至關重要。作者同時指出降低該系列受體材料合成復雜度在技術上沒有障礙，預期短期內可以實現。

表一. The calculation of industrial Figure of Merit (i-FoM) based on the power conversion efficiency (PCE), stability and synthetic complexity (SC) for the investigated material systems.

【文獻信息】

Xiaoyan Du, Thomas Heumueller, Wolfgang Gruber, Andrej Classen, Tobias Unruh, Ning Li, Christoph J. Brabec, Efficient Polymer Solar Cells Based on Non-fullerene Acceptors with Potential Device Lifetime Approaching 10 Years, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2018.09.001.

本文由第一作者杜曉艷博士撰稿，材料人特邀作者吳禹翰編輯發布。