有机太阳能电池（OSCs）作为新一代光伏技术，凭借质轻、透明、柔性、成本低等优点受到了广泛关注，在光伏建筑一体化、可穿戴柔性电子器件和物联网设备等领域具有十分广阔的应用前景。近年来，得益于新材料的开发和器件制备工艺的优化，有机太阳能电池的效率不断得到提升，目前单结OSCs的效率已经突破20%，然而稳定性成为制约其商业化应用的重要瓶颈。
目前，几乎所有的高效OSCs都是以聚合物给体（PD）和小分子受体（SMA）作为活性层构筑的。然而，由于SMA的玻璃化转变温度（Tg）低，扩散系数（D85）高，活性层中的 SMA 在热应力作用下容易扩散和自聚集，导致基于 SMA 的器件工作稳定性低。巨分子受体因其分子结构明确、批次重现性高和扩散系数低而成为聚合物受体和小分子受体的理想替代品。
对此，来自中国科学院宁波材料所葛子义和杨道宾等人详细的研究了U型二聚体受体材料作为第三组分对于光伏器件性能的影响，首次揭示了二聚体作为第三组分对于器件稳定性提高的根本原因，为设计开发高效稳定二聚体受体材料提供了重要的理论指导。
图1. 研究工作内容简述。
我们设计并合成了两种以IDT单元作为桥连单元的异构化二聚受体，5-IDT和6-IDT，经二维核磁共振（NOESY）光谱和密度泛函理论（DFT）计算发现，两种二聚受体都趋向于独特的U型构型，不过5-IDT具有更小的分子尺寸大小。与 6-IDT相比，5-IDT具有更高的 Tg、更低的D85和更有序的堆叠。在将其作为第三组分引入二元体系后，不仅有效地减少了能量无序和非辐射电压损失，还改善了器件的激子解离和电荷传输。最终，基于PM6:eC9:5-IDT 的三元有机太阳能电池获得了19.96%的光电转换效率，这是迄今为止基于寡聚受体的三元 OSCs 的最高效率。同时，器件的热稳定性也得到了显著提高，经过 1000 小时热老化后，6-IDT 和 5-IDT 处理器件的初始效率保持率分别从 18% 提高到 32% 和 75%。
图2. a) 5-IDT 和 6-IDT 的化学结构。 b) 5-IDT 和 6-IDT 在 CDCl3 中的2D 1H-1H NOESY 光谱（600 MHz）。c) DFT 模拟的分子几何形状(U型)。
为了进一步揭示二聚受体作为第三组分对于器件稳定性提高的根本原因，我们使用原子力显微镜（AFM）和薄膜深度光吸收光谱 (FLAS) 仔细研究了热老化前后混合薄膜的形态和给受体的垂直组分分布。研究发现，引入二聚受体后可以阻止 eC9 在混合相中的分子扩散和聚集，从而使三元薄膜的形态更稳定，并且5-IDT的引入也能使给受体的垂直组分分布更加稳定。此外，我们还通过薄膜拉伸实验发现，二聚受体的引入可显著提高活性层的延展性。综上所述，我们认为这种具有较小分子尺寸的U型二聚受体作为第三组分可以提高 OSCs 的稳定性，主要是因为其具有巨大的分子构象，可以作为锁与给受体间形成紧密的缠结，从而稳定薄膜的形貌，实现器件稳定性的显著提升。
图3. a)未封装器件在 N2 环境下的热稳定性。 b) 新制混合薄膜的AFM高度图。 c) 经150 °C热老化48h后混合薄膜的AFM高度图。
论文共同第一作者中国科学院大学硕士生丁鹏飞和陈振宇博士，共同通讯作者为宁波材料所杨道宾副研究员和葛子义研究员。
论文信息：
U-Shaped Dimeric Acceptors for Balancing Efficiency and Stability in Organic Solar Cells
Pengfei Ding, Zhenyu Chen, Daobin Yang*, Xueliang Yu, Jingyu Shi, Yiyu Chen, Jintao Zhu, Jie Wu, Xinyue Cao, Lin Xie, Fei Chen, Ziyi Ge*
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.202414080
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