當(dāng)前，高效率的有機(jī)太陽(yáng)能電池多基于非富勒烯受體。隨著研究深入，新的非富勒烯受體分子被不斷設(shè)計(jì)合成，相應(yīng)的器件效率也在提升。而器件的穩(wěn)定性尚未達(dá)到商業(yè)化要求。已有研究報(bào)道了非富勒烯受體分子結(jié)構(gòu)與器件效率之間的關(guān)系，而關(guān)注非富勒烯受體分子結(jié)構(gòu)與器件穩(wěn)定性之間關(guān)系的工作相對(duì)較少。探索受體分子結(jié)構(gòu)與器件穩(wěn)定性之間的關(guān)系，可為后續(xù)設(shè)計(jì)合成高穩(wěn)定性受體分子提供思路，具有重要意義。
中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所印刷薄膜光伏實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目研究員駱群、研究員馬昌期，聯(lián)合北京師范大學(xué)副教授譚宏偉團(tuán)隊(duì)，探究非富勒烯受體分子結(jié)構(gòu)與器件穩(wěn)定性之間的關(guān)系。前期研究（Sol. RRL, 2021, 5, 2000638）揭示了ZnO在光照下會(huì)產(chǎn)生羥基自由基，進(jìn)一步，羥基自由基與非富勒烯受體發(fā)生界面反應(yīng)導(dǎo)致受體分子的端基和稠環(huán)核連接的C=C發(fā)生斷裂的器件失效機(jī)理。
在前期研究的基礎(chǔ)上，科研人員剖析受體分子的結(jié)構(gòu)對(duì)器件穩(wěn)定性的影響。研究選取不同分子結(jié)構(gòu)的四種非富勒烯分子作為受體，比較了基于四種受體器件的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，受體器件穩(wěn)定性規(guī)律為IT-4F>Y6≈N3>ITIC。進(jìn)一步的光譜分析結(jié)果表明，四種受體的光降解速率與其對(duì)應(yīng)的器件的衰減速率表現(xiàn)一致。這表明受體的光降解速率是決定器件衰減速率的關(guān)鍵因素，而受體分子中端基鹵素取代以及內(nèi)核的β-烷基是影響其光降解速率及器件衰減速率差異的關(guān)鍵。DFT理論計(jì)算結(jié)果表明，端基F元素的修飾使端基和稠環(huán)核連接的C=C鍵合能降低，導(dǎo)致其更易與羥基自由基發(fā)生反應(yīng)。此外，F(xiàn)原子與ZnO表面氧空位和羥基的吸附能更強(qiáng)，致使表面的羥基更易離去，進(jìn)而產(chǎn)生更多的羥基自由基破壞受體，因而受體端基含F(xiàn)原子使衰減加快。而β-位烷基鏈能與環(huán)外雙鍵中的氫原子發(fā)生遠(yuǎn)程作用形成“原子籠”，從而阻擋ZnO表面產(chǎn)生的羥基自由基對(duì)C=C進(jìn)攻，進(jìn)而提高非富勒烯受體材料的穩(wěn)定性。基于實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算的結(jié)果，研究選擇β-位具有更大烷基鏈的非富勒烯小分子L8-BO作為受體材料，結(jié)合ZnO表面的界面修飾，獲得能量轉(zhuǎn)化效率超過(guò)17%的有機(jī)太陽(yáng)能電池，且該電池具有良好的穩(wěn)定性，其T80和Ts80分別達(dá)到5140和6170小時(shí)。
該研究為后續(xù)開(kāi)發(fā)高穩(wěn)定性非富勒烯受體分子提供了思路。相關(guān)研究成果在線(xiàn)發(fā)表在Advanced Science上。
蘇州納米所等通過(guò)分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)合表面鈍化獲得高效穩(wěn)定非富勒烯太陽(yáng)能電池
四種受體分子結(jié)構(gòu)及器件結(jié)構(gòu)
DFT計(jì)算分子構(gòu)象及Y6分子的二維核磁譜
