西工大刘剑刚教授团队 AEM：揭示分子取向及相分离在Y6体系热稳定性中的作用机制

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得益于非富勒烯受体（NFA）的飞速发展，有机太阳能电池（OSC）的能量转化效率（PCE）已经突破19%。不断提升的器件性能和具有竞争力的制造成本使有机太阳能电池在多种应用场景中具有广阔的产业化潜力。尽管OSC的性能已达到商业化要求，但是器件稳定性仍是一项短板，其中活性层稳定性关系到高温工况条件以及自发形貌演变，是限制器件稳定性提升的一大关键因素。目前，有关活性层失稳机制的研究主要认为分子聚集和相区粗化不利于激子解离及光电流产生，是器件性能衰减的主要原因，但该机制不适用于Y6类高性能体系。因此，亟需揭示Y6类体系的活性层失稳机制，为制备高效稳定的光伏器件提供理论依据。

针对上述问题，西工大刘剑刚教授团队基于Y6体系器件的热稳定性展开了一系列研究，揭示了以分子取向及相分离变化导致的性能衰减机制。研究人员以D18:Y6、PM6:Y6为研究对象，对器件进行长时间加热后发现Y6体系的器件性能大幅衰减，具体表现为开路电压（V_OC）和填充因子（FF）损失为主导的热衰减（如图1所示）。

图1.（a）D18、PM6、Y6和IT-4F的化学结构；（b）反向器件结构示意图；（c）D18:Y6、PM6:Y6和PM6:IT-4F最优器件J-V曲线；归一化（d）PCE、（e）J_SC、（f）V_OC和（g）FF随加热时间演变曲线。

研究人员分别探究了V_OC和FF下降的原因。结果表明，由于Y6和聚合物分子间的强相互作用形成了非平衡取向，加热后聚合物分子取向由edge-on向更为稳定的face-on转变；分子取向变化将促使给体材料能级发生偏移，导致器件内部内建电场降低及非辐射复合增加，进而使得V_OC显著降低（如图2所示）。针对FF快速衰减，研究人员指出加热过程中共混薄膜的相分离程度增大，从而导致受体连续相被阻断，破坏了电子传输的连续通道；因此，器件的电子迁移率在加热后呈数量级下降，载流子传输过程中双分子复合加剧，进而导致了FF显著降低，器件电学模拟也进一步证实了这一结果（如图2所示）。

图2. （a）D18:Y6、（b）PM6:Y6和（c）PM6:IT-4F器件加热前后J_ph-V_eff曲线；（d）纯组分薄膜加热前后电离势变化图，数据来自UPS测试，插图为能级影响内建电场示意图；（e）随内建电场变化的模拟J-V曲线；（f）加热前后D18:Y6、PM6:Y6和PM6:IT-4F的（100）和（010）方向极图；（g）D18:Y6、（h）PM6:Y6和（i）PM6:IT-4F器件加热前后的V_OC与光强依赖性曲线；（j）加热前后器件的载流子迁移率。

这一研究成果不仅建立了高效体系稳定性的构效关系，同时为形貌调控提升器件稳定性提供了有效的指导和启发。以上相关研究以“Elucidate the Thermal Degradation Mechanism of Y6-Based Organic Solar Cells by Establishing Structure-Property Correlation”为题发表于国际知名期刊：Advanced Energy Materials。西北工业大学辛景明博士为论文的第一作者，西北工业大学刘剑刚教授、苗宗成教授及西安交通大学马伟教授为论文的共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202401433

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