陈义旺/廖勋凡团队：基于苯并三氮唑类“防晒霜”的三元策略用于构筑高效且光稳定的有机太阳能电池

江西师范大学陈义旺教授和廖勋凡教授团队采用安全无污染的苯并三氮唑类紫外线吸收剂UV329作为分子“防晒霜”构筑了高效且稳定的三元OSCs。UV329的加入使器件表现出更强的光响应性、更高和更平衡的载流子迁移率，并有效抑制了共混膜的光降解。这项工作为同时提高OSCs的PCE和光稳定性提供了一种简单而有效的策略。

有机太阳能电池（OSCs）作为一种将太阳能转化为电能的清洁光伏技术，由于其质量轻、成本低、可溶液加工以及半透明等独特优势，受到了科研工作者的广泛关注。近年来，随着非富勒烯受体Y6及其衍生物的开发应用，OSCs的能量转换效率（PCE）已突破19%以上，而稳定性通常被忽略或没有得到有效解决。众所周知，OSCs如果没有至少几年的运行稳定性，其商业化的目标很难实现。目前，有效的封装可以缓解一些因素（如氧气和水）对OSCs器件稳定性的影响，但其工作期间暴露于光和热是不可避免的。研究表明，紫外光（UV）对器件光电转换过程的贡献特别小，且紫外辐射和UV诱导活性层材料的光氧化是器件光不稳定性的主要原因。太阳光照射至地球表面的UV辐照强度平均达4.61 mW/cm²，尽管有臭氧层的保护可以去除部分波段的UV，但仍有较强的紫外线包括Uva（320-400 nm）和Uvb（280-320 nm）可以照射至地球表面。因此，解决UV吸收并被有效利用是提高器件光稳定性的关键。

针对上述科学问题，近日，江西师范大学陈义旺教授和廖勋凡教授团队通过借鉴汽车油漆中添加紫外线吸收剂阻碍光氧化反应的发生，从而实现汽车光泽持久、保色性好以及环境稳定的思路，采用安全无污染的苯并三氮唑类紫外线吸收剂UV329作为分子“防晒霜”构筑了高效且稳定的三元OSCs。

该工作选择明星体系PM6:Y6作为研究对象，引入UV329构筑三元器件。研究发现，UV329的光吸收范围覆盖了300-380 nm，可溶于氯仿但不溶于水，符合PM6:Y6体系的加工要求。UV329的加入可有效改善PM6:Y6共混膜的成膜质量且促进合适的相分离。此外，UV329还可适当提高PM6:Y6的结晶度，且倾向于增强PM6的有序堆积，从而改善光利用率和提高电荷传输。进一步研究发现，三元器件具有更低的电荷复合和更高且更平衡的电荷迁移率，从而有利于提高器件的短路电流和填充因子。最终，PM6:Y6三元器件的PCE得到明显提升，且在Y6衍生物BTP-eC9和L8-BO体系中也得到很好的应用。通过采用UV-Vis光谱和荧光寿命成像技术相结合的方法发现，UV329的加入可抑制PM6的光漂白现象。此外，由于UV329对UV的吸收可以有效抑制PM6:Y6体系的光降解过程，因此，三元器件在连续光照120分钟后保持初始PCE值的近90%，同时还保持了良好的热和长期存储稳定性（图1）。这项工作为同时提高OSCs的PCE和光稳定性提供了一种简单而有效的策略。

图1. (a) UV阻隔车漆的工作机理以及PM6、Y6和UV329的化学结构；(b) PM6、Y6和UV329的分子表面静电势分布；（c) PM6、Y6和UV329纯膜和（d) PM6:Y6和PM6:Y6:UV329共混膜的归一化吸收光谱；(e，f) Y6和Y6:UV329 (2wt%) 薄膜在暴露于一个太阳光前后的UV-vis吸收光谱；(g) Y6和Y6:UV329 (2wt%) 薄膜在不同光照时间下相对吸光度的变化曲线

论文第一作者为东华大学博士研究生崔永杰，共同第一作者为浙江大学博士研究生陈增，通讯作者为江西师范大学陈义旺教授和廖勋凡教授。此外，感谢浙江大学的朱海明教授和西安交通大学的马伟教授对本工作的帮助。详见：Yongjie Cui, Zeng Chen, Peipei Zhu, Wei Ma, Haiming Zhu, Xunfan Liao*, Yiwang Chen*. Enhancing Photostability and Power Conversion Efficiency of Organic Solar Cells by a “Sunscreen” Ternary Strategy. Sci. China Chem., 2023, DOI: 10.1007/s11426-022-1517-2.

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