Joule：高效有机非富勒烯聚合物太阳能电池器件寿命接近10年

【引言】

基于非富勒烯受体的有机太阳能电池近年来发展迅速。与富勒烯及其衍生物相比，非富勒烯受体具有更易调节的物理化学性质，更有效的光谱利用，以及更小的能量损耗等优势。ITIC及其多种衍生物（图一）作为非富勒烯受体材料近年来受到广泛关注。通过分子结构调控ITIC能级来提高电池能量转换效率是近年来的研究热点。协同调节受体和给体的能级已经成功将电池能量转换效率提高到13%以上。

对于有机太阳能电池的大规模工业化生产和应用，必须综合考虑能量转换效率、器件稳定性以及合成难度。因此，在研究分子能级调控对其能量转换效率影响的同时，也应该关注其对稳定性和合成成本的影响。最近，德国埃尔兰根-纽伦堡大学Christoph J. Brabec教授的研究团队从能量转换效率、器件稳定性和合成复杂度三个方面研究了ITIC及其系列衍生物的工业化可行性，以及分子调控对电池寿命的影响。研究表明，ITIC端基和侧链修饰对器件稳定性有极大影响，该系列材料中的稳定体系有望达到接近10年的器件使用寿命。最后，作者通过分析工业化指标，指出降低合成成本对于该系列材料的工业化应用前景至关重要，该工作发表在Joule上。文章第一作者为杜晓艳博士，通讯作者为李宁博士和Christoph J. Brabec教授。

图1. 给体和受体材料的分子结构

【图文导读】

该工作中的太阳能电池由程序控制自动进行稳定性测试。测试条件为干燥氮气氛围（氧气和水含量均小于0.5ppm）使用白光LED灯照射，期间温度控制在30 °C。结果显示（图二），ITIC分子结构调控对电池稳定性影响极大。其中，端基氟化的ITIC-2F和侧链以苯环取代噻吩环的ITIC-Th表现出较好的稳定性，与此相反，ITIC和端基为单个甲基的ITIC-M表现出持续的短路电流和填充因子衰减，而端基有两个甲基的ITIC-DM在起初几百个小时以内即有很强的短路电流和填充因子衰减。作者分析了稳定性最好的PCBM、ITIC-2F和ITIC-Th三个体系的T₈₀寿命，结果表明，按照德国南部日平均太阳高峰时段3.3小时来计算，基于ITIC-2F的体系预期使用寿命可接近10年。

图2. 基于不同受体的太阳能电池在干燥氮气氛围中持续光照条件下的稳定性

作者通过进一步的瞬态光电压谱（TPV）和载流子瞬态抽取测试 (CE)（图三）揭示了衰减器件中缺陷相关的载流子复合损耗增加。光照线性增压载流子瞬态法（Photo-CELIV）（图四）测试进一步说明缺陷态增加导致载流子迁移率下降。为深入理解缺陷态产生的机制，作者研究了仅基于受体材料的电子传输器件在相同白光照射下的稳定性。结果表明，基于ITIC-2F和ITIC-Th的电子传输器件非常稳定，而基于ITIC-M和ITIC-DM的器件则迅速衰减，这一结果与相应的太阳能电池的稳定性表现出相同的趋势，说明太阳能电池的稳定性与光照下受体的稳定性相关。傅里叶变换红外光谱测试（FTIR）证明了ITIC-DM在光照下发生共轭健的断裂，而光致发光测试（PL）的荧光淬灭也同样证明了光照下缺陷态的产生。

图3. 载流子寿命与复合机制在稳定性测试前后的变化

图4. 光照线性增压载流子瞬态法（Photo-CELIV）测试电池衰减前后电荷传输和抽取的变化

随后，作者对活性层形貌进行了详细研究（图五）。结果发现，基于ITIC的活性层结晶态部分在光照下发生结晶取向的改变，而对于端基和侧链修饰的ITIC衍生物其结晶部分形貌相对稳定。掠入射小角X射线散射测试（GISAXS）（见原文）则揭示了ITIC-DM在光照下有明显的聚集态增加，结合电致发光的测试结果，作者确认了非晶态共混相形貌的改变也同时影响了ITIC-DM器件的快速衰减。

图5. 500小时光照前后体异质结形貌分析

最后，作者综合评估了该材料体系的能量转换效率、稳定性以及合成复杂度（表一）。分析表明，合成复杂度的降低对于提高该系列材料的工业化指标至关重要。作者同时指出降低该系列受体材料合成复杂度在技术上没有障碍，预期短期内可以实现。

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.

【文献信息】

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.

本文由第一作者杜晓艳博士撰稿，材料人特邀作者吴禹翰编辑发布。