當前，高效率的有機太陽能電池多基于非富勒烯受體。隨著研究深入，新的非富勒烯受體分子被不斷設計合成，相應的器件效率也在提升。而器件的穩(wěn)定性尚未達到商業(yè)化要求。已有研究報道了非富勒烯受體分子結構與器件效率之間的關系，而關注非富勒烯受體分子結構與器件穩(wěn)定性之間關系的工作相對較少。探索受體分子結構與器件穩(wěn)定性之間的關系，可為后續(xù)設計合成高穩(wěn)定性受體分子提供思路，具有重要意義。
中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所印刷薄膜光伏實驗室項目研究員駱群、研究員馬昌期，聯合北京師范大學副教授譚宏偉團隊，探究非富勒烯受體分子結構與器件穩(wěn)定性之間的關系。前期研究（Sol. RRL, 2021, 5, 2000638）揭示了ZnO在光照下會產生羥基自由基，進一步，羥基自由基與非富勒烯受體發(fā)生界面反應導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理。
在前期研究的基礎上，科研人員剖析受體分子的結構對器件穩(wěn)定性的影響。研究選取不同分子結構的四種非富勒烯分子作為受體，比較了基于四種受體器件的穩(wěn)定性。結果表明，受體器件穩(wěn)定性規(guī)律為IT-4F>Y6≈N3>ITIC。進一步的光譜分析結果表明，四種受體的光降解速率與其對應的器件的衰減速率表現一致。這表明受體的光降解速率是決定器件衰減速率的關鍵因素，而受體分子中端基鹵素取代以及內核的β-烷基是影響其光降解速率及器件衰減速率差異的關鍵。DFT理論計算結果表明，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，導致其更易與羥基自由基發(fā)生反應。此外，F原子與ZnO表面氧空位和羥基的吸附能更強，致使表面的羥基更易離去，進而產生更多的羥基自由基破壞受體，因而受體端基含F原子使衰減加快。而β-位烷基鏈能與環(huán)外雙鍵中的氫原子發(fā)生遠程作用形成“原子籠”，從而阻擋ZnO表面產生的羥基自由基對C=C進攻，進而提高非富勒烯受體材料的穩(wěn)定性。基于實驗和理論計算的結果，研究選擇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，結合ZnO表面的界面修飾，獲得能量轉化效率超過17%的有機太陽能電池，且該電池具有良好的穩(wěn)定性，其T80和Ts80分別達到5140和6170小時。
該研究為后續(xù)開發(fā)高穩(wěn)定性非富勒烯受體分子提供了思路。相關研究成果在線發(fā)表在Advanced Science上。
蘇州納米所等通過分子結構優(yōu)化結合表面鈍化獲得高效穩(wěn)定非富勒烯太陽能電池
四種受體分子結構及器件結構
DFT計算分子構象及Y6分子的二維核磁譜
