浙大李昌治团队CEJ：新型非富勒烯受体中的碳-碳单键提高有机太阳能电池的稳定性

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前言回顾

近年来，有机太阳能电池（OSCs）受到了研究人员的广泛关注。尤其是A-D-A型非富勒烯受体（NFAs）的开发，有力地推动了OSCs领域发展。经典A-D-A型NFAs大多由醛和活性亚甲基衍生物的通过Knoevenagel缩合反应合成，同时在D和A单元之间留下乙烯基相连。然而，一些研究表明，外部乙烯基是破坏A-D-A型NFAs固有化学稳定性的主要因素，一些经典NFAs（例如IT-4F）中的乙烯键在光照下会发生光异构化，从而形成后续光反应的中间产物，并导致OSCs的光伏性能下降。因此，目前仍需要探索高效稳定的有机光伏材料。

图1. 新型受体分子的合成与分子特性

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文献简介

有鉴于此，近日，浙江大学李昌治教授研究团队开发了一种新型基于强碳-碳单键的A-D-A型受体分子IDT-IT和IDT-SZ，其由吸电子基团IT或SZ与IDT单元通过Stille反应偶联而成。这种新型A-D-A受体分子间具有氮硫（N…S）非共价相互作用，因此增强了分子主链的平面性和刚性。更重要的是，它与含有乙烯基的受体分子有本质区别，不仅在环境中表现出优异的光稳定性和热稳定性，而且具有较高的电子迁移率。

图2. 不同受体分子的光稳定性探究

研究人员首先系统地探索了IDT-IT和IDT-SZ薄膜的光化学稳定性，他们选择具有乙烯基连接的经典A-D-A型NFAs（IT-4F、IT-IC、IT-M和IT-CC）作为对照组。在特定的光照条件下，纯IT-4F薄膜的吸收光谱急剧下降，8小时后几乎变白，这表明A-D-A共轭体系的分子内电荷转移（ICT）通道受到破坏。其它包括IT-IC、IT-M和IT-CC薄膜中也观察到了类似的结果。然而，IDT-IT和IDT-SZ在相同的光老化试验下几乎没有改变其吸收曲线，这种优异的光稳定性主要归因于强健的碳-碳单键。此外，他们还利用热重分析（TGA）对两种分子的热性能进行了评估，数据表明IDT-IT和IDT-SZ明显表现出更好的热稳定性。研究人员进一步探究了两种新型受体分子的光伏性能，结果显示，基于PM6:IDT-IT的器件光电能量转换效率（PCE）达到6.37%，开路电压（VOC）为0.82 V，以及13.28 mA cm-2的短路电流密度（JSC）和0.59的填充因子（FF）。而基于PM6:IDT-SZ的器件PCE显著增加至10.43%，同时JSC（17.68 mA cm-2）和FF（0.74）也得到提高。

图3. 相关器件的光伏性能

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文献总结

综上，本工作研究结果表明，基于新型碳-碳键的A-D-A受体分子比传统含有乙烯键的受体分子具有更好的光稳定性和热稳定性。同时，该工作为后续的NFAs分子设计提供了新的参考。相关研究成果最新发表于国际著名期刊《Chemical Engineering Journal》上，题为“Robust carbon-carbon singly bonded electron acceptors for efficient organic photovoltaics”。

本文关键词：有机太阳能电池，非富勒烯受体，器件稳定性，分子设计。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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