任广禹团队Nat. Commun.：非富勒烯受体结构在平衡有机光伏性能-稳定性方面的重要性

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前言回顾

有机光伏（OPV）在柔性可穿戴电子产品、室内便携式发电设备等领应用域前景巨大。然而，OPV需要满足较高的光电转换效率（PCE）和长期稳定性指标，才能考虑其商业化。利用非富勒烯受体（NFA）取代富勒烯衍生物有助于将单结OPV的PCE提高到18%以上，缩小了与其它光伏技术的差距。同时，该策略还可以通过克服分子扩散和聚集来提高OPV的稳定性。然而，由于活性层的亚稳定形态，PCE和稳定性之间的权衡仍然存在于体异质结（BHJ）OPV中。事实上，活性层中最初良好相分离的纳米尺度通道在长期老化过程中容易形成过多的尺度聚集，这对器件的效率和寿命非常不利。

光氧化和光催化这些亲核反应往往会破坏NFA的共轭结构，从而降低其吸光能力。此外，还需要关注NFA的化学结构与外部压力下形态演变之间的关系。对于OPV而言，热应力诱导不稳定性是一个非常具有挑战性的问题，因为当活性层形态处于热力学非平衡状态时，通常可以实现性能最佳的BHJ器件，而这需要在整个热老化过程中保持。事实上，可以调整NFA的主链平面度和侧链，因为这些结构特征与NFA的结晶和扩散能力及其与聚合物基质的相互作用直接相关。

图1.分子结构/几何形状和光电特性

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文献简介

有鉴于此，近日，香港城市大学Alex K.-Y. Jen（任广禹）教授研究团队开发了一系列A-DA′D-A型NFA，它们在π核的外侧位置具有不同的基团。研究结果显示，NFA的侧基扭转和主链平面度可以通过改变其外侧基团来轻松调整。具体来说，未取代和溴化NFA显示出相当平坦的主链，而噻吩取代的NFA具有扭曲的骨架和较大的侧基扭转。由于窄带隙和适度结晶性，当处理溶剂为绿色型的二甲苯时，基于扭曲型受体的器件性能表现良好，最佳PCE高达18.3%，是目前非卤化溶剂处理的OPV中器件效率最高值之一。同时，这些具有较大结构空间位阻的受体实现了良好的热/光热稳定性。通过研究热应力下结构/几何形状和形态/性能演变之间的关系，研究人员强调，NFA的适当结构阻碍程度对于实现OPV的性能-稳定性平衡至关重要。

图2.光伏性能和能量分析

结合上述结果，研究人员将所研究材料系统的结构-性能-稳定性框架总结如下。对于基于平面型受体的器件，由于这些平面受体的高扩散能力、低玻璃化转变温度、强骨架相互作用以及与聚合物给体的相容性相对较低，混合相中的组分在热应力下经历了轻微的分层和纯化，形成小规模的独立受体畴。由于激子分裂减少，分层引起的界面减少将降低老化器件的短路电流密度。此外，这些老化器件的双分子复合系数的增加进一步证明了独立畴的形成，这也是热老化下填充因子衰减的原因。相比之下，基于扭曲受体的器件在活性层中显示出更大的混合程度，例如所开发的新型受体BTP-TBr具有相对较高的低玻璃化转变温度、较弱的主链堆积、较大的侧基空间位阻以及与聚合物给体的更好的相容性。因此，共混物能够保持良好的混合相，而不会真正影响老化器件中的电荷分离和双分子复合，相应器件保持良好的短路电流密度。不足的是，热应力可能破坏纯畴的电荷传输路径，导致填充因子略有下降。

图3.受体的热特性和OPV器件的长期稳定性

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文献总结

综上，该工作不仅开发了新型高性能的NFA，更重要的是通过对结构-性能-稳定性关系的研究，证明了受体侧基空间位阻在实现高性能、稳定和生态友好型OPV器件中的重要性。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Nature Communications》上，题为“Importance of structural hinderance in performance-stability equilibrium of organic photovoltaics”。

本文关键词：有机光伏器件，非富勒烯受体，分子设计，侧基取代。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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