华南理工黄飞/李宁Nature Energy：兼具高效率/高寿命有机太阳能电池设计

CYM 1年前 (2023-01-20) 2057浏览

【导读】

众所周知，有机太阳能电池（OSCs）的功率转换效率已经迎来了巨大的发展。然而，为了实现商业产品和应用，OSC的功率转换效率（PCE）应该伴随着出色的稳定性。实际上，耦合高效率和长循环稳定性仍然是如今商业化的一个主要挑战。近年来，由于小分子非富勒烯受体（SM-NFA）的快速发展，其在分子设计、近红外区域互补吸收和与聚合物供体的能级方面显示出巨大的优势。特别是Y6及其衍生物，作为SM-NFAs最实质性的突破之一，将单结OSC的PCE提高到19%的水平。尽管基于Y6及其类似物的OSC效率很高，但本质上较低的玻璃化转变温度（Tg），以及这些Y系列SM-NFA的高扩散特性容易在OSC的活性层内形成动力学不稳定的形貌，一直阻碍器件获得长期稳定性的障碍。

【成果掠影】

在此，华南理工大学黄飞教授和李宁教授等人（共同通讯作者）利用Y6类似物（OY）和2,2′-双噻吩单体构建了一系列齐聚物受体（POY），研究了分子尺寸和包装性能对光伏性能的影响。作者通过改变分子链的长度，改变了热性能、结晶行为和分子堆积，获得了最佳的微观结构和更稳定的形貌。对于基于齐聚物受体的二元OSCs，具有超过超过25000小时的推算寿命，相当于可以在广州使用超过16年。这项工作强调了低聚策略在调节分子堆积行为和共混形态方面的重要性，促进了稳定和有效的OSCs非富勒烯受体的发展。

相关研究成果以“Organic solar cells using oligomer acceptors for improved stability and efficiency”为题发表在Nature Energy上。

【核心创新点】

1.本文采用了一锅法的策略合成了Y系列的齐聚物受体，且经过光稳定性测试，基于OY3的有机太阳电池在光照下条件下1000小时后，展现出超过90%的初始效率；

2.这是在有机太阳能电池领域中报道的第一个同时具有高效率（>15%）和高使用寿命（>15年）的工作，从而推动了其商业化进程。

【数据概览】

图一、受体的材料特征© Springer Nature

（a）OY1-OY4和POY的化学结构；

（b）五种受体加热的DSC曲线；

（c）五种受体的紫外−可见吸收光谱；

（d）五种受体的能级图；

图二、OY1-OY4和POY的设备性能© Springer Nature

（a，b）在AM 1.5 G光照（100 mW cm-2）下，优化OSCs的J-V特性和EQE光谱；

（c）基于不同受体的OSCs PCE直方图。

图三、OY1、OY3和POY的分子堆积行为和光物理性质© Springer Nature

（a，b）OY1、OY3、POY膜和相应的混合膜2D-GIWAXS图谱和一维曲线；

（c，d）OY1、OY3和POY膜的吸收谱和PL图谱；

（e）PBDB-T共混膜的吸收曲线。

图四、OSCs的热稳定性和光稳定性© Springer Nature

（a）在最佳条件下或150℃热应180 min处理后的共混膜AFM图像；

（b）在干燥氮气气氛下，连续光照下OSCs的Jsc、Voc、FF和PCE的变化；

（c）在PBDB-T: OY3的氮气中光照1000小时的PCE；

（d）OSCs的PCE和光稳定性。

图五、OY3的优势© 2022 Springer Nature

【成果启示】

综上所述，本文系统地研究了重复单元结构对NFA的影响，作者跟踪了热性能，晶体行为和结构顺序的差异，在结合OY1和POY的优点的情况下，OY3表现出高达204℃的Tcc，且具有足够的结晶度和改进的π-π堆积特征，有利于形成优化的微观结构和稳定的形貌。同时，基于OY3的OSC产生了超过15%的PCE和优异的光稳定性，在光老化1000小时后保持了90%以上的初始效率。平均T80寿命超过25000小时，相当于16年的运行寿命。因此，本文相信这样的低聚策略可以为分子设计提供创新的见解，并使有机光伏技术更接近实际应用。

文献链接：“Organic solar cells using oligomer acceptors for improved stability and efficiency”（Nature Energy，2022，10.1038/s41560-022-01155-x）

本文由材料人CYM编译供稿。

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