天津大学叶龙、费竹平教授等：引入高混溶性组分调控有机光伏共混薄膜的聚集态结构与热稳定性

天津大学材料学院叶龙教授与分子+研究院费竹平教授等人合作，在经典的PM6:Y6-BO体系中引入一种新型同源不对称Y系列受体（Y6-CNO），同时提升了有机太阳能电池的器件性能和热稳定性，能量转换效率达18%且在连续热退火条件下的外推T₈₀时长可达9000小时。高混溶性组分的引入能够有效调节Y系列受体的聚集和结晶程度，以及组分间的相容状态，从而优化了共混体系的相分离结构。该研究为同时提升有机光伏器件的光伏效率和热稳定性提供了一种可行的策略。

近年来，新兴非富勒烯受体的发展使得有机太阳能电池（OPV）的商业化应用成为可能。随着Y系列非富勒烯受体的快速发展，当前OPV的最高效率已经突破19%【推荐阅读：有机太阳能电池研究进展（材料部分）】。然而，随着OPV效率的不断突破，稳定性成为限制其商业化应用的关键因素【推荐阅读：有机太阳能电池研究进展（器件工程）】。在高效率OPV的活性层薄膜制备过程中，通常将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，但此状态通常处于热力学非平衡态。在实际应用中，连续的光照会导致较高的工作温度，这将加速活性层的结晶和相分离演化。这种热应力驱动的活性层形貌演变往往引起器件性能的大幅衰减，且无法通过封装技术来解决【推荐阅读：提升非富勒烯聚合物太阳能电池热稳定性的策略与挑战】。由于热应力贯穿于器件制备和工作的全过程中，如何有效抑制基于Y系列受体的活性层共混薄膜的结构演变，对于实现高效稳定的OPV具有重要意义。

最近，天津大学叶龙教授与费竹平教授等人在相容性分析和分子堆积模拟的启发下，引入Y系列不对称受体Y6-CNO（图1）来优化代表性的二元体系PM6:Y6-BO的光伏性能与热稳定性。研究表明Y6-CNO能与同源的对称受体Y6-BO完全混溶，抑制热应力下受体过强的结晶。

图1. Y6-CNO的结构以及其分子间端基的不同堆积构型的模拟。

在相容性分析和上述理论模拟指导下，该团队在PM6:Y6-BO体系中引入15% wt%的Y6-CNO，取得了18%的能量转换效率（图2），这明显优于PM6:Y6-BO二元体系（16.7%）。引入少量的第三组分可以使膜中形成更好的传输通道，最优三元器件显示出更有效的激子解离、更少的复合与更快的电荷传输。此外，最优的三元器件在100 ℃下退火1200小时可以保持95%的初始性能，外推T₈₀寿命可达9000小时。

图2. (a)不同含量的共混体系J-V曲线。(b)光电流密度与有效电压曲线。(c)开路电压与光强曲线。(d) 迁移率柱状图。(e) 在100 ℃连续热退火条件下，三种共混膜的归一化PCE的演化图。

为明确三元共混体系器件性能及热稳定性同时提高的原因，该团队通过同步辐射掠入射X射线散射和实空间显微镜表征技术，详细监测了两种二元和最优的三元共混体系在最优退火条件（10分钟）以及长时间退火条件（1天）过程中的分子堆积、相分离和光伏性能随时间的演化（图3）。结果表明，Y6-CNO的引入能够精细调节PM6:Y6-BO体系中受体的聚集和结晶程度，从而同时提高有机光伏电池的器件性能和热稳定性。

图3. (a-c) 两种二元与最优三元的TEM图。(d-k) 三种共混薄膜退火1天的GIWAXS图与其相应的取向参数和相对结晶度分析。

该工作为同时提升有机光伏器件的光伏效率和热稳定性提供了一种可行的策略。鉴于不对称非富勒烯受体的结构多样性，该策略有望在调控多组分共混薄膜的聚集态结构与稳定性方面实现新的突破。

论文的第一作者为天津大学材料科学与工程学院博士生鲜开虎，通讯作者为天津大学材料科学与工程学院叶龙教授和分子+研究院费竹平教授。共同作者包括天津大学耿延候教授、中科院化学所侯剑辉研究员、中科院高能物理研究所陈雨研究员、南京林业大学赵文超教授等。详见：Kaihu Xian, Shengnan Zhang, Ye Xu, Junwei Liu, Kangkang Zhou, Zhongxiang Peng, Mingfei Li, Wenchao Zhao, Yu Chen, Zhuping Fei, Jianhui Hou, Yanhou Geng, Long Ye. Refining acceptor aggregation in nonfullerene organic solar cells to achieve high efficiency and superior thermal stability. SCIENCE CHINA Chemistry, 2022, doi: 10.1007/s11426-022-1394-y.

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通讯作者简介

叶龙，天津大学材料学院教授，博士生导师。2015年在中国科学院化学研究所获理学博士学位，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工作，2020年入选国家青年人才计划，目前主要从事共轭高分子凝聚态结构、力学性质以及相容性等方面的研究。

费竹平，天津大学分子+研究院教授，博士生导师。于2002年和2005年在吉林大学化学系分别获理学学士与硕士学位。2008年于中国科学院化学研究所获高分子化学与物理专业博士学位，之后在英国帝国理工学院化学系从事研究工作。2018年入选国家青年人才计划，并于同年加入分子＋研究院。目前主要从事有机半导体材料的设计合成与器件研究。

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