基于柔性连接单元的二聚体受体用于高效稳定的有机太阳能电池

有机太阳能电池作为一种新兴的光伏技术，由于其溶液可加工性以及可用于多功能传感器和可穿戴电子产品，引起了人们极大的关注。近年来，得益于光伏材料的快速发展，有机太阳能电池的效率取得了较大的进步。然而，广泛采用的非富勒烯小分子受体在外部应力如光、热等条件下易发生分子扩散和自聚集，从而导致亚稳态形貌的形成。因此，有机太阳能电池的长期稳定性对其商业化应用仍然是一个巨大的挑战。

为解决有机太阳能电池的稳定性问题，寡聚物受体被成功研发。通过单键或者噻吩π桥将两个或三个非富勒烯小分子单元连接而成的寡聚物受体，可以抑制分子的扩散从而稳定活性层的形貌。但相对于小分子受体而言，寡聚物受体具有相对较长且扭转的共轭主链，破坏了分子的紧密堆积，进而抑制了电荷载流子的产生和传输。相较传统的连接方式，柔性烷基链连接单元则可以更为有效地调控活性层结晶行为及形貌，这是因为柔性连接单元可以在一定程度上降低主链刚性进而增强给体和受体之间的共混性。该策略已被证明可以提高全聚合物太阳能电池的长期稳定性和机械性能。然而，柔性连接单元在寡聚物中的应用还未曾被研究。鉴于此，香港城市大学任广禹（Alex K.-Y. Jen）教授团队通过引入柔性连接单元将两个非富勒烯小分子连接在一起，合成了一种新型的二聚体受体dT9TBO。

图1. （a）给、受体的分子结构式。（b）受体的吸收光谱。（c）给、受体的能级。

研究表明，柔性烷基链连接单元可以有效地调节活性层形貌，基于PM6dT9TBO的三元器件可以达到18.41%的能量转化效率并且可以获得一个较高的开路电压（0.88 V）和较高的填充因子（77.26%）。这可以归因于二聚体受体较高的LUMO能级，以及共混膜更为优异的结晶性引起的有效电荷传输改善。同时，Y6:dT9TBO混合物更高的玻璃化转变温度也说明，含柔性连接单元的二聚体不仅可以有效地抑制受体分子扩散，还可以限制共价键合单体的运动。更为重要的是，Y6和dT9TBO的良好混溶性有助于分子合金的形成并诱导形成更加致密的分子堆积。被抑制的分子扩散特性以及更为致密的分子堆积协同作用，使得三元（PM6dT9TBO） 薄膜在老化和外部应力下表现出更稳定的形貌。进而，基于dT9TBO的三元器件展现出优异的光、热稳定性。

图2. 基于不同受体的有机太阳能电池的（a）J-V曲线和（b）EQE曲线。（c）反式器件在持续光照下的MPP追踪稳定性。（d）反式器件在65℃下的热老化稳定性。

此外，基于柔性连接单元的二聚体受体也可以增强柔性器件的机械性能，在1500次弯曲循环后可以保持95%的初始效率。这是由于柔性连接单元可以在器件中提供一定的柔韧性，因此可减轻弯曲过程中施加在器件上的机械应力，从而形成稳定的形貌。结果证明，在三元材料体系中加入少量的二聚体受体不仅可以提高太阳能电池的能量转化效率，而且还可以增强在热、光、偏压和机械应力下的耐用性。

图3. （a）柔性器件的J-V曲线。（b）柔性器件的机械性能。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章第一作者是香港城市大学博士研究生齐峰和博士后李彦勋，通讯作者为任广禹（Alex K.-Y. Jen）教授。

审核编辑 ：李倩