华南理工黄飞&李宁团队Nat. Energy：低聚物受体提高有机太阳能电池的效率和稳定性

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前言回顾

近年来，由于小分子非富勒烯受体（SM-NFAs）的快速发展，体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSCs）的功率转换效率（PCE）将单结OSC的PCE提高到19%。然而，为了实现商业化和应用，OSCs不仅要有高的PCE，而且还要有优异的稳定性。尽管基于Y6及其衍生物的器件效率很高，但这些Y系列SM-NFAs固有的低玻璃化转变温度（Tg）和高扩散特性容易在OSCs的活性层内形成动力学不稳定的形态，从而影响器件的长期稳定性。

为了解决BHJ活性层的形态不稳定性，一种简单而有效的策略是通过聚合SM-NFAs来构建聚合物受体，这可以继承前体SM-NFAs的优点，例如近红外区域的高消光系数、较高的电子迁移率，将全聚合物太阳能电池（APSCs）的PCE提高到约17%的水平。尽管APSCs在热应力或光照下表现出比基于SM-NFAs的OSCs具有更好的稳定性，但该类聚合物受体的性能对批次和分子量的依赖性较大，为器件加工带来更多的不确定性，并限制了APSCs的开发和商业化。因此，为了同时克服SM-NFAs和聚合物受体的固有问题，开发具有高Tg和特定化学结构的新型材料是非常必要的。然而，构建高效率与长寿命相结合并满足实际应用需求的OSCs仍然具有挑战性。

图1.受体的材料特性

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文献简介

有鉴于此，为了评估设计具有低聚物受体的稳定高效OSCs的可行性，并理解分子水平上的结构与功能的关系，近日，华南理工大学的黄飞教授、李宁教授团队在《Nature Energy》期刊上发表的文章中，报道了一种低聚物策略，即以Y6类似物（OY1）为单体，2,2’-双噻吩为π桥单元，通过一锅反应合成了二、三、四聚体：OY2、OY3、OY4，以及高聚物POY。研究结果显示，在具有不同分子链长度的NFAs中检测到不同的热性质、结晶行为和分子有序性。得益于精确调节分子尺寸，OY3具有同OY1的足够结晶度、与POY相当的热稳定性，从而在相应的共混膜中实现了优化的微观结构和稳定的形态。

图2.OY1-OY4和POY的器件性能

当与聚合物给体PBDB-T匹配时，基于OY3的器件获得了超过15%的PCE和优异的光稳定性，其在运行1000小时后仍能保持初始PCE的90%以上，预计平均T80大于25000小时，这相当于16年的运行寿命，主要归因于OY3具有更高的热转变温度和更有序的微观形貌。这一结果有助于构建稳定高效的OSCs。

图3.不同共混物的形貌模拟

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文献总结

综上，该工作中所开发的低聚物策略可以为分子设计提供新的见解，并使有机光伏技术更接近实际商业应用。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Nature Energy》上，题为“Organic solar cells using oligomer acceptors for improved stability and efficiency”。

本文关键词：有机太阳能电池，低聚物受体，形貌调节，高稳定性。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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