苏州纳米所等通过分子结构优化结合表面钝化实现高效稳定非富勒烯太阳能电池方面取得进展

当前高效率的有机太阳能电池大都基于非富勒烯受体。随着研究深入，新的非富勒烯受体分子被不断设计合成，相应的器件效率也在不断提升。当前基于非富勒烯受体的器件效率已经满足商业化需求。而作为商业化的重中之重，目前器件的稳定性还远远达不到商业化要求。当前已经有大量的研究报道了非富勒烯受体分子结构与器件效率之间的关系，而研究关注非富勒烯受体分子结构与器件稳定性之间的关系的工作相对较少。研究受体分子结构与器件稳定性之间的关系可以为后续设计合成高稳定性受体分子提供思路，具有十分重要的意义。

中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所印刷薄膜光伏实验室骆群项目研究员、马昌期研究员联合北京师范大学谭宏伟副教授团队研究了非富勒烯受体分子结构与器件稳定性之间的关系。在前期研究中（Sol. RRL 2021, 5, 2000638），作者揭示了ZnO在光照下会产生羟基自由基，进一步羟基自由基与非富勒烯受体发生界面反应导致受体分子的端基和稠环核连接的C=C发生断裂的器件失效机理。

在前期工作的基础上，作者系统地探究受体分子的结构对器件稳定性的影响。论文选取不同分子结构的四种非富勒烯分子作为受体，详细比较了基于四种受体器件的稳定性。研究结果表明，受体器件稳定性规律为：IT-4F>Y6≈N3>ITIC。进一步的光谱分析结果表明，四种受体的光降解速率与其对应的器件的衰减速率表现一致。这表明受体的光降解速率是决定器件衰减速率的关键因素，而受体分子中端基卤素取代以及内核的β-烷基是影响其光降解速率及器件衰减速率差异的关键。DFT理论计算结果表明：端基F元素的修饰使端基和稠环核连接的C=C键合能降低，从而导致其更易与羟基自由基发生反应。此外F原子与ZnO表面氧空位和羟基的吸附能更强，导致表面的羟基更易于离去，进而产生更多的羟基自由基破坏受体，所以受体端基含F原子会使得衰减加快。而β-位烷基链能与环外双键中的氢原子发生远程作用形成“原子笼”，从而阻挡ZnO表面产生的羟基自由基对C=C进攻，进而提高了非富勒烯受体材料的稳定性。基于实验和理论计算的结果，作者选择了β-位具有更大烷基链的非富勒烯小分子L8-BO作为受体材料，结合ZnO表面的界面修饰，获得了能量转化效率超过17%的有机太阳能电池，并且该电池具有良好的稳定性，其T80和Ts80分别达到5140和6170小时。

图1. 四种受体分子结构及器件结构

图2. DFT计算分子构象及Y6分子的二维核磁谱 

本论文研究结果为后续开发高稳定性非富勒烯受体分子提供了思路。相关论文在线发表在Advanced Science上。以上研究成果的第一作者为中科院苏州纳米所博士生刘博文，通讯作者为骆群项目研究员、马昌期研究员以及谭宏伟副教授。

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