中科大&北師大 Adv. Sci.：利用分子結構優化和表面鈍化構建高效和穩定的聚合物：非富勒烯太陽能電池

【背景介紹】

聚合物太陽能電池（polymer solar cells, PSCs）是一種很有前途的太陽能電池，其具有重量輕、柔韌性好、溶液可加工等優點。目前，研究人員報道了各種高性能的聚合物供體（polymer donors）和非富勒烯受體（non-fullerene acceptors, NFAs），PSCs的功率轉換效率（power conversion efficiency, PCE）迅速達到了18%。研究發現，受體-供體-受體（acceptor-donor-acceptor, A-D-A）型非富勒烯受體的突破是器件PCE跨越式發展的關鍵。通過給體-受體（donor-acceptor, D-A）結構修飾、官能團取代和側鏈工程，目前已報道了各種高性能NFAs。近些年來，隨著PSCs的PCE技術的迅速發展，PSCs的穩定性也受到了廣泛的關注。其中，聚合物：富勒烯太陽能電池得到了很好的研究，闡明了不同的降解途徑，并開發了提高聚合物：富勒烯太陽能電池穩定性的方法。然而，對于NFAs太陽能電池的詳細降解機制以及分子結構對這些降解過程的具體影響缺乏深入的了解。
【成果簡介】

近日，中國科學技術大學馬昌期研究員和駱群副研究員、北京師范大學譚宏偉教授（共同通訊作者）等人系統地研究了NFA分子的結構-穩定性關系。作者比較了使用ITIC、IT-4F、Y6和N3作為NFA的倒置PM6: NFA太陽能電池的穩定性，并測量了IT-4F> Y6≈N3> ITIC的衰減率順序。通過量子化學計算表明，氟取代削弱了C=C鍵并增強了NFA和ZnO之間的相互作用，而C=C接頭旁邊噻吩單元上的β-烷基鏈阻止了羥基自由基對C=C鍵的進攻。因此，作者選擇了一個龐大的含有烷基側鏈的分子（命名為L8-BO）作為受體，它顯示出較慢的光漂白和性能衰減率。ZnO表面鈍化與苯乙硫醇（PET）的組合產生17% 的高效率和估計的長T₈₀和T_s80分別為5140和6170 h。實驗結果表明噻吩單元的β-位點功能化是提高NFA器件穩定性的有效途徑。研究成果以題為“Simultaneously Achieving Highly Efficient and Stable Polymer:Non-Fullerene Solar Cells Enabled By Molecular Structure Optimization and Surface Passivation”發布在國際著名期刊Adv. Sci.上。

【圖文解讀】

圖一、PM6: NFA電池的結構與性能 ?? 2022 The Authors
（a）活性層材料的分子結構和太陽能電池的器件結構示意圖；

（b-c）PM6: NFA電池的J-V曲線和EQE光譜；

（d）白光照射下，PM6: NFA電池的PCE衰減曲線；

（e）ZnO表面NFA的光子漂白

圖二、ZnO表面上初始和老化受體的MALDI-MS光譜?? 2022 The Authors

圖三、ZnO(101)表面上NFA的電荷密度差異及DFT計算IT-4F和ITIC與ZnO表面相互作用的吸附能?

?? 2022 The Authors

圖四、分子結構-性能關系?? 2022 The Authors
（a）I-C-CN和T-C-IC的扭轉圖；I-C-CN和T-C-IC的構象和能級在PBE0理論水平上使用DFT計算，基組為def2-SVP；

（b）Y6的1H NMR NOE測量

圖五、具有支化β-烷基側鏈的更穩定的NFA分子?? 2022 The Authors
（a-b）PM6: Y6和PM6: L8-BO電池的J-V曲線和EQE光譜；

（c）Y6和L8-BO薄膜在ZnO表面的吸光度降低；

（d）白光照射下，PM6: Y6和PM6: L8-BO電池的PCE衰減曲線；

（e）PM6: L8-BO電池與表面PET處理的ZnO的器件性能演變

【小結】

綜上所述，作者系統地研究了NFA分子結構對太陽能電池穩定性的影響。結果表明，紫外可見吸收分析證實這些電池的PCE衰減率與ZnO表面NFAs薄膜的光漂白過程直接相關，表明光子誘導的NFA分子在ZnO表面分解是光伏性能衰減的主要原因。在末端受電子部分引入氟原子會降低穩定性，這主要是由于ZnO和氟化NFA分子之間的強分子間作用。更重要的是，在噻吩單元的β-位點上與C=C鍵相鄰的位置引入烷基側鏈可以顯著提高電池的穩定性，這歸因于原子籠的形成，防止羥基自由基進攻C=C鍵。在噻吩單元的β-位點具有支鏈烷基側鏈的新型NFA分子L8-BO顯示出改善的器件穩定性，其器件性能達到17.02%，并且具有較高的性能穩定性（T₈₀超過5000 h）。目前的工作指出在噻吩單元靠近C=C鍵的β-位點上進行功能化是提高NFA電池穩定性的最可行方法。

文獻鏈接：Simultaneously Achieving Highly Efficient and Stable Polymer: Non-Fullerene Solar Cells Enabled By Molecular Structure Optimization and Surface Passivation. Adv. Sci., 2021, DOI: 10.1002/advs.202104588.

本文由CQR編譯。

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