天津大学叶龙教授综述：提升非富勒烯聚合物太阳能电池热稳定性的策略与挑战

随着聚合物太阳能电池（PSCs）效率的快速提升，稳定性已成为限制其商业化的关键因素。天津大学叶龙教授等人从高分子材料物理的角度全面探讨了非富勒烯PSCs热稳定性的重要影响因素及提升策略，并展望了其面临的机遇与挑战。

高效率、低成本、高稳定性被认为是新型太阳能电池实现商业化的黄金三角。随着新型非富勒烯受体分子的不断发展和器件制备工艺的创新，聚合物太阳能电池（PSCs）的光伏效率得到大幅提高，目前第三方认证的最高效率已接近19%。然而，随着PSCs效率的快速提升，稳定性已成为限制其商业化的关键因素。

在PSCs的制备过程中，通常将活性层无定形共混相中的受体组分淬灭至渗透阈值处以获得最优的电子传输效率，但此状态处于热力学非平衡态。如果最优化的初始形貌没有被动力学地固定，在存放过程中相形态将会自发地向热力学平衡态演变而发生相分离，从而导致混合相区因受体析出而失去连续的电子传输通道。这种热力学驱动的活性层形貌演变往往引起器件性能的急剧衰减，且无法通过封装技术来解决。由于热应力贯穿于器件制备和工作的全过程中，热应力将加速活性层的形貌演变和器件性能衰减。因此，研究PSCs共混薄膜在热应力作用下的性能衰减机理及优化策略，对于实现高稳定性PSCs具有重要意义。

近日，天津大学叶龙教授等人基于在PSCs热力学相容性和共混体系相分离结构方面的积累（Nat. Mater., 2018, 17, 253；Joule, 2019, 3, 443-458；Joule, 2020, 4, 1278；Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 15988-15994；Sci. China Chem., 2021, 64, 478），撰写了综述文章“Advances and Prospective in Thermally Stable Nonfullerene Polymer Solar Cells”。该文从高分子材料物理的角度全面探讨了非富勒烯PSCs热稳定性的重要影响因素及提升策略，并展望了其面临的机遇与挑战。  

为更好地理解PSC活性层在热应力下的形态稳定性，作者首先简要综述了影响PSCs形貌稳定性的三个最重要的因素，即材料的玻璃化转变温度（T_g）、冷结晶温度（T_cc）及共混体系的相容性（如图1所示）。随后，作者通过选取目前研究最为广泛的聚合物给体:非富勒烯小分子受体共混体系为例介绍了提升PSCs器件热稳定性的有效策略，如分子设计、使用双受体或形成受体合金、引入绝缘高分子材料等。此外，他们还简要讨论了具有良好热稳定性的新型体系，如小分子给体:聚合物受体共混体系和单组分体系。最后，作者对于制备优异热稳定性的聚合物太阳能电池面临的机遇与挑战进行了展望。该文总结的相关知识和设计策略也可以为其他类型的太阳能电池例如有机/无机杂化太阳能电池以及全小分子太阳能电池提供参考。

图1  (a) 结晶性有机/聚合物光伏材料的热转变示意图；(b) 小分子在聚合物基质中不同温度下的等温结晶示意图；(c) 相互作用参数c-组分相图及三类相容性体系 (hypo-miscible, optimal miscible 和hyper-miscible) 对应的形貌和性能特征。

论文作者为天津大学材料学院叶龙教授、博士研究生高梦圆以及中科院化学所侯剑辉研究员。 详见:  Long Ye, Mengyuan Gao, Jianhui Hou. Advances and Prospective in Thermally Stable Nonfullerene Polymer Solar Cells, Sci. China Chem., 2021, DOI: 10.1007/s11426-021-1087-8.本文将收录在"2021 Emerging Investigator Issue"中，敬请关注。

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通讯作者简介

叶龙，天津大学英才教授、博导，入选北洋学者英才计划（2019）和国家青年人才计划（2020）。2015年在中科院化学所获理学博士学位（导师：侯剑辉研究员），2015-2019年在美国北卡罗来纳州立大学物理系先后做博士后和研究助理教授，2019年10月加入天津大学材料学院先进高分子研究所工作，主要从事共轭高分子薄膜结构与力学性质、有机光电共混体系的相容性表征与调控等方面的研究。迄今已发表论文100余篇，作为第一作者/通讯作者在Nat. Mater, Joule, Adv. Mater., Mater. Today, Acc. Chem. Res., Angew. Chem. Int. Ed., InfoMat, Aggregate, Sci. China Chem.等国际著名期刊发表论文60余篇，论文SCI引用总次数超过12000次，H-因子为54，入选科睿唯安“全球高被引科学家”（2019和2020年）和Science China Chemistry期刊“新锐科学家”（2021年）。担任《InfoMat》期刊青年编委。

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