基于柔性連接單元的二聚體受體用于高效穩(wěn)定的有機太陽能電池

有機太陽能電池作為一種新興的光伏技術(shù)，由于其溶液可加工性以及可用于多功能傳感器和可穿戴電子產(chǎn)品，引起了人們極大的關注。近年來，得益于光伏材料的快速發(fā)展，有機太陽能電池的效率取得了較大的進步。然而，廣泛采用的非富勒烯小分子受體在外部應力如光、熱等條件下易發(fā)生分子擴散和自聚集，從而導致亞穩(wěn)態(tài)形貌的形成。因此，有機太陽能電池的長期穩(wěn)定性對其商業(yè)化應用仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

為解決有機太陽能電池的穩(wěn)定性問題，寡聚物受體被成功研發(fā)。通過單鍵或者噻吩π橋?qū)蓚€或三個非富勒烯小分子單元連接而成的寡聚物受體，可以抑制分子的擴散從而穩(wěn)定活性層的形貌。但相對于小分子受體而言，寡聚物受體具有相對較長且扭轉(zhuǎn)的共軛主鏈，破壞了分子的緊密堆積，進而抑制了電荷載流子的產(chǎn)生和傳輸。相較傳統(tǒng)的連接方式，柔性烷基鏈連接單元則可以更為有效地調(diào)控活性層結(jié)晶行為及形貌，這是因為柔性連接單元可以在一定程度上降低主鏈剛性進而增強給體和受體之間的共混性。該策略已被證明可以提高全聚合物太陽能電池的長期穩(wěn)定性和機械性能。然而，柔性連接單元在寡聚物中的應用還未曾被研究。鑒于此，香港城市大學任廣禹（Alex K.-Y. Jen）教授團隊通過引入柔性連接單元將兩個非富勒烯小分子連接在一起，合成了一種新型的二聚體受體dT9TBO。

圖1. （a）給、受體的分子結(jié)構(gòu)式。（b）受體的吸收光譜。（c）給、受體的能級。

研究表明，柔性烷基鏈連接單元可以有效地調(diào)節(jié)活性層形貌，基于PM6dT9TBO的三元器件可以達到18.41%的能量轉(zhuǎn)化效率并且可以獲得一個較高的開路電壓（0.88 V）和較高的填充因子（77.26%）。這可以歸因于二聚體受體較高的LUMO能級，以及共混膜更為優(yōu)異的結(jié)晶性引起的有效電荷傳輸改善。同時，Y6:dT9TBO混合物更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也說明，含柔性連接單元的二聚體不僅可以有效地抑制受體分子擴散，還可以限制共價鍵合單體的運動。更為重要的是，Y6和dT9TBO的良好混溶性有助于分子合金的形成并誘導形成更加致密的分子堆積。被抑制的分子擴散特性以及更為致密的分子堆積協(xié)同作用，使得三元（PM6dT9TBO） 薄膜在老化和外部應力下表現(xiàn)出更穩(wěn)定的形貌。進而，基于dT9TBO的三元器件展現(xiàn)出優(yōu)異的光、熱穩(wěn)定性。

圖2. 基于不同受體的有機太陽能電池的（a）J-V曲線和（b）EQE曲線。（c）反式器件在持續(xù)光照下的MPP追蹤穩(wěn)定性。（d）反式器件在65℃下的熱老化穩(wěn)定性。

此外，基于柔性連接單元的二聚體受體也可以增強柔性器件的機械性能，在1500次彎曲循環(huán)后可以保持95%的初始效率。這是由于柔性連接單元可以在器件中提供一定的柔韌性，因此可減輕彎曲過程中施加在器件上的機械應力，從而形成穩(wěn)定的形貌。結(jié)果證明，在三元材料體系中加入少量的二聚體受體不僅可以提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率，而且還可以增強在熱、光、偏壓和機械應力下的耐用性。

圖3. （a）柔性器件的J-V曲線。（b）柔性器件的機械性能。

這一成果近期發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章第一作者是香港城市大學博士研究生齊峰和博士后李彥勛，通訊作者為任廣禹（Alex K.-Y. Jen）教授。

審核編輯 ：李倩