蘇州納米所等通過分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)合表面鈍化實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定非富勒烯太陽能電池方面取得進(jìn)展
當(dāng)前高效率的有機(jī)太陽能電池大都基于非富勒烯受體。隨著研究深入,新的非富勒烯受體分子被不斷設(shè)計(jì)合成,相應(yīng)的器件效率也在不斷提升。當(dāng)前基于非富勒烯受體的器件效率已經(jīng)滿足商業(yè)化需求。而作為商業(yè)化的重中之重,目前器件的穩(wěn)定性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到商業(yè)化要求。當(dāng)前已經(jīng)有大量的研究報(bào)道了非富勒烯受體分子結(jié)構(gòu)與器件效率之間的關(guān)系,而研究關(guān)注非富勒烯受體分子結(jié)構(gòu)與器件穩(wěn)定性之間的關(guān)系的工作相對(duì)較少。研究受體分子結(jié)構(gòu)與器件穩(wěn)定性之間的關(guān)系可以為后續(xù)設(shè)計(jì)合成高穩(wěn)定性受體分子提供思路,具有十分重要的意義。
中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所印刷薄膜光伏實(shí)驗(yàn)室駱群項(xiàng)目研究員、馬昌期研究員聯(lián)合北京師范大學(xué)譚宏偉副教授團(tuán)隊(duì)研究了非富勒烯受體分子結(jié)構(gòu)與器件穩(wěn)定性之間的關(guān)系。在前期研究中(Sol. RRL 2021, 5, 2000638),作者揭示了ZnO在光照下會(huì)產(chǎn)生羥基自由基,進(jìn)一步羥基自由基與非富勒烯受體發(fā)生界面反應(yīng)導(dǎo)致受體分子的端基和稠環(huán)核連接的C=C發(fā)生斷裂的器件失效機(jī)理。
在前期工作的基礎(chǔ)上,作者系統(tǒng)地探究受體分子的結(jié)構(gòu)對(duì)器件穩(wěn)定性的影響。論文選取不同分子結(jié)構(gòu)的四種非富勒烯分子作為受體,詳細(xì)比較了基于四種受體器件的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明,受體器件穩(wěn)定性規(guī)律為:IT-4F>Y6≈N3>ITIC。進(jìn)一步的光譜分析結(jié)果表明,四種受體的光降解速率與其對(duì)應(yīng)的器件的衰減速率表現(xiàn)一致。這表明受體的光降解速率是決定器件衰減速率的關(guān)鍵因素,而受體分子中端基鹵素取代以及內(nèi)核的β-烷基是影響其光降解速率及器件衰減速率差異的關(guān)鍵。DFT理論計(jì)算結(jié)果表明:端基F元素的修飾使端基和稠環(huán)核連接的C=C鍵合能降低,從而導(dǎo)致其更易與羥基自由基發(fā)生反應(yīng)。此外F原子與ZnO表面氧空位和羥基的吸附能更強(qiáng),導(dǎo)致表面的羥基更易于離去,進(jìn)而產(chǎn)生更多的羥基自由基破壞受體,所以受體端基含F(xiàn)原子會(huì)使得衰減加快。而β-位烷基鏈能與環(huán)外雙鍵中的氫原子發(fā)生遠(yuǎn)程作用形成“原子籠”,從而阻擋ZnO表面產(chǎn)生的羥基自由基對(duì)C=C進(jìn)攻,進(jìn)而提高了非富勒烯受體材料的穩(wěn)定性?;趯?shí)驗(yàn)和理論計(jì)算的結(jié)果,作者選擇了β-位具有更大烷基鏈的非富勒烯小分子L8-BO作為受體材料,結(jié)合ZnO表面的界面修飾,獲得了能量轉(zhuǎn)化效率超過17%的有機(jī)太陽能電池,并且該電池具有良好的穩(wěn)定性,其T80和Ts80分別達(dá)到5140和6170小時(shí)。
圖1. 四種受體分子結(jié)構(gòu)及器件結(jié)構(gòu)
圖2. DFT計(jì)算分子構(gòu)象及Y6分子的二維核磁譜
本論文研究結(jié)果為后續(xù)開發(fā)高穩(wěn)定性非富勒烯受體分子提供了思路。相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Science上。以上研究成果的第一作者為中科院蘇州納米所博士生劉博文,通訊作者為駱群項(xiàng)目研究員、馬昌期研究員以及譚宏偉副教授。
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