中科大&北师大 Adv. Sci.：利用分子结构优化和表面钝化构建高效和稳定的聚合物：非富勒烯太阳能电池

【背景介绍】

聚合物太阳能电池（polymer solar cells, PSCs）是一种很有前途的太阳能电池，其具有重量轻、柔韧性好、溶液可加工等优点。目前，研究人员报道了各种高性能的聚合物供体（polymer donors）和非富勒烯受体（non-fullerene acceptors, NFAs），PSCs的功率转换效率（power conversion efficiency, PCE）迅速达到了18%。研究发现，受体-供体-受体（acceptor-donor-acceptor, A-D-A）型非富勒烯受体的突破是器件PCE跨越式发展的关键。通过给体-受体（donor-acceptor, D-A）结构修饰、官能团取代和侧链工程，目前已报道了各种高性能NFAs。近些年来，随着PSCs的PCE技术的迅速发展，PSCs的稳定性也受到了广泛的关注。其中，聚合物：富勒烯太阳能电池得到了很好的研究，阐明了不同的降解途径，并开发了提高聚合物：富勒烯太阳能电池稳定性的方法。然而，对于NFAs太阳能电池的详细降解机制以及分子结构对这些降解过程的具体影响缺乏深入的了解。
【成果简介】

近日，中国科学技术大学马昌期研究员和骆群副研究员、北京师范大学谭宏伟教授（共同通讯作者）等人系统地研究了NFA分子的结构-稳定性关系。作者比较了使用ITIC、IT-4F、Y6和N3作为NFA的倒置PM6: NFA太阳能电池的稳定性，并测量了IT-4F> Y6≈N3> ITIC的衰减率顺序。通过量子化学计算表明，氟取代削弱了C=C键并增强了NFA和ZnO之间的相互作用，而C=C接头旁边噻吩单元上的β-烷基链阻止了羟基自由基对C=C键的进攻。因此，作者选择了一个庞大的含有烷基侧链的分子（命名为L8-BO）作为受体，它显示出较慢的光漂白和性能衰减率。ZnO表面钝化与苯乙硫醇（PET）的组合产生17% 的高效率和估计的长T₈₀和T_s80分别为5140和6170 h。实验结果表明噻吩单元的β-位点功能化是提高NFA器件稳定性的有效途径。研究成果以题为“Simultaneously Achieving Highly Efficient and Stable Polymer:Non-Fullerene Solar Cells Enabled By Molecular Structure Optimization and Surface Passivation”发布在国际著名期刊Adv. Sci.上。

【图文解读】

图一、PM6: NFA电池的结构与性能  © 2022 The Authors
（a）活性层材料的分子结构和太阳能电池的器件结构示意图；

（b-c）PM6: NFA电池的J-V曲线和EQE光谱；

（d）白光照射下，PM6: NFA电池的PCE衰减曲线；

（e）ZnO表面NFA的光子漂白

图二、ZnO表面上初始和老化受体的MALDI-MS光谱 © 2022 The Authors

图三、ZnO(101)表面上NFA的电荷密度差异及DFT计算IT-4F和ITIC与ZnO表面相互作用的吸附能 

 © 2022 The Authors

图四、分子结构-性能关系 © 2022 The Authors
（a）I-C-CN和T-C-IC的扭转图；I-C-CN和T-C-IC的构象和能级在PBE0理论水平上使用DFT计算，基组为def2-SVP；

（b）Y6的1H NMR NOE测量

图五、具有支化β-烷基侧链的更稳定的NFA分子 © 2022 The Authors
（a-b）PM6: Y6和PM6: L8-BO电池的J-V曲线和EQE光谱；

（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电池的PCE衰减曲线；

（e）PM6: L8-BO电池与表面PET处理的ZnO的器件性能演变

【小结】

综上所述，作者系统地研究了NFA分子结构对太阳能电池稳定性的影响。结果表明，紫外可见吸收分析证实这些电池的PCE衰减率与ZnO表面NFAs薄膜的光漂白过程直接相关，表明光子诱导的NFA分子在ZnO表面分解是光伏性能衰减的主要原因。在末端受电子部分引入氟原子会降低稳定性，这主要是由于ZnO和氟化NFA分子之间的强分子间作用。更重要的是，在噻吩单元的β-位点上与C=C键相邻的位置引入烷基侧链可以显着提高电池的稳定性，这归因于原子笼的形成，防止羟基自由基进攻C=C键。在噻吩单元的β-位点具有支链烷基侧链的新型NFA分子L8-BO显示出改善的器件稳定性，其器件性能达到17.02%，并且具有较高的性能稳定性（T₈₀超过5000 h）。目前的工作指出在噻吩单元靠近C=C键的β-位点上进行功能化是提高NFA电池稳定性的最可行方法。

文献链接：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编译。

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