武汉理工大学王涛教授《AFM》综述：非富勒烯电子受体及其光伏器件的稳定性

点击蓝字关注我们

非富勒烯电子受体(Non-fullerene Acceptors, NFAs)是近年来有机太阳能电池(Organic solar cells，OSCs)领域公认的明星材料, 随着新型非富勒烯受体分子的不断发展，OSCs器件光伏转换效率（Power conversion efficiencies，PCE）取得了极快的进展，目前已经接近19%。然而，大多数高效OSCs在使用和储存期间会产生效率的衰退，与具有较长寿命和稳定性的硅基太阳能电池存在明显差距。因此，研究OSCs光伏材料与器件性能的降解机理，对获取高稳定性并最终推动OSCs产业化意义重大。

近日，武汉理工大学王涛教授团队系统总结了目前高效NFAs的材料与光伏器件稳定性，以“Stability of non-fullerene electron acceptors and their photovoltaic devices”为题在《Advanced Functional Materials》上发表综述。

在这篇综述中，作者讨论了引起NFAs降解的三个最重要的因素，即化学、热和光诱导降解；深入分析了各因素主导下的降解机理和相应的改善途径；最后对基于NFAs的OSCs的储存和运行寿命现状进行了概述，特别是在惰性环境、室内和室外条件下的器件运行状况，提出了进一步提高NFAs及其相应OSCs稳定性的相关策略。

图1：该综述的写作思路。

1. 化学稳定性

OSCs的电荷传输层与本体异质结（BHJ）活性层呈“三明治”结构，因此，BHJ活性层中的NFAs不仅受到周围环境中O₂和H₂O分子的侵入，还受到不同电荷传输层所带来的化学环境的影响。虽然NFAs是通过化学键连接，本质上是稳定的，但研究发现位于NFAs的“D”和“A”单元之间的C=C在碱性环境或界面材料的催化作用下会断裂，导致NFAs产生化学降解和结构破坏。对此，可以通过化学结构设计方法来提高NFAs的化学稳定性，也可以通过界面修饰来避免常用的空穴/电子传输层与NFAs之间的化学反应。

图2：经典的非富勒烯电子受体材料ITIC受碱性传输层材料PEI而产生的化学降解和吸光能力的退化。

2. 光稳定性

光诱导降解是有机半导体的另一种常见降解方式，可分为光化学降解和光物理降解。NFAs的光化学降解主要归因于NFAs分子结构的破坏，而NFAs的光物理降解与光照下的形貌变化有关。而NFAs分子结构的破坏和活性层形貌变化均会造成器件稳定性下降，因此，分子设计和形态优化是增强光稳定性最有效的方法。

图3：非富勒烯受体分子ITIC和富勒烯受体分子PCBM的光稳定性对比，以及非富勒烯分子IDTBR的光稳定性。

3. 热稳定性

溶液涂膜制备的器件光活性层内分子常处于一种非平衡状态，具有未完成的结构有序化和相分离过程，因此，分子链在热应力下会进一步运动，影响形貌发展。在OSCs工作时，对OSCs的连续照射会给光活性层带来不可避免的热应力。虽然光照射引起的热应力往往无法导致常用有机半导体材料发生化学结构分解，但会影响活性层形貌演化，而且形貌演化过程较为复杂，与电子受体和电子给体的热力学和热应力动力学有关。由于NFAs的热稳定性主要取决于热应力下的形态变化，因此许多策略如分子工程，构建三元共混膜，引入固体添加剂都可以提高较高温度下的形貌稳定性，从而提升热稳定性。

图4：ITIC分子在不同温度下形貌变化。

4. 不同条件下的储存与运行稳定性

目前，OSCs的稳定性测试一般有两种：(1)在暗态下测量的储存稳定性；(2)室内或室外，在惰性或具有特定光强环境条件下的运行寿命。OSCs的储存寿命测量一般是惰性或大气环境的无光照条件下的存储。在惰性气体环境下，降解仅与OSCs中界面材料向光活性层的扩散或光活性层的形貌变化有关。然而在 OSCs运行时，其降解主要源于光照引起的光活性层材料和形态的变化，从而导致稳定性显著降低。

图5：有机太阳能电池器件的光电性能变化，和不同环境下的运行稳定性。

最后作者认为，NFAs结构的多样化可以在其降解过程中提供更多的活性位点和带来复杂的形貌演变，这虽然给探索其降解机制带来了很大挑战，但也为通过合理的化学设计提高稳定性提供了可能。

本文的第一作者为武汉理工大学李伟博士，武汉理工大学王涛教授为本文通讯作者。感谢国家自然科学基金面上项目(21774097和52073221)和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(WUT: 2021III016JC)的支持。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104552

相关进展

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。