【引言】

基于非富勒烯受體的有機(jī)太陽能電池近年來發(fā)展迅速。與富勒烯及其衍生物相比，非富勒烯受體具有更易調(diào)節(jié)的物理化學(xué)性質(zhì)，更有效的光譜利用，以及更小的能量損耗等優(yōu)勢(shì)。ITIC及其多種衍生物（圖一）作為非富勒烯受體材料近年來受到廣泛關(guān)注。通過分子結(jié)構(gòu)調(diào)控ITIC能級(jí)來提高電池能量轉(zhuǎn)換效率是近年來的研究熱點(diǎn)。協(xié)同調(diào)節(jié)受體和給體的能級(jí)已經(jīng)成功將電池能量轉(zhuǎn)換效率提高到13%以上。

對(duì)于有機(jī)太陽能電池的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，必須綜合考慮能量轉(zhuǎn)換效率、器件穩(wěn)定性以及合成難度。因此，在研究分子能級(jí)調(diào)控對(duì)其能量轉(zhuǎn)換效率影響的同時(shí)，也應(yīng)該關(guān)注其對(duì)穩(wěn)定性和合成成本的影響。最近，德國埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)Christoph J. Brabec教授的研究團(tuán)隊(duì)從能量轉(zhuǎn)換效率、器件穩(wěn)定性和合成復(fù)雜度三個(gè)方面研究了ITIC及其系列衍生物的工業(yè)化可行性，以及分子調(diào)控對(duì)電池壽命的影響。研究表明，ITIC端基和側(cè)鏈修飾對(duì)器件穩(wěn)定性有極大影響，該系列材料中的穩(wěn)定體系有望達(dá)到接近10年的器件使用壽命。最后，作者通過分析工業(yè)化指標(biāo)，指出降低合成成本對(duì)于該系列材料的工業(yè)化應(yīng)用前景至關(guān)重要，該工作發(fā)表在Joule上。文章第一作者為杜曉艷博士，通訊作者為李寧博士和Christoph J. Brabec教授。

圖1. 給體和受體材料的分子結(jié)構(gòu)

【圖文導(dǎo)讀】

該工作中的太陽能電池由程序控制自動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試。測(cè)試條件為干燥氮?dú)夥諊ㄑ鯕夂退烤∮?.5ppm）使用白光LED燈照射，期間溫度控制在30°C。結(jié)果顯示（圖二），ITIC分子結(jié)構(gòu)調(diào)控對(duì)電池穩(wěn)定性影響極大。其中，端基氟化的ITIC-2F和側(cè)鏈以苯環(huán)取代噻吩環(huán)的ITIC-Th表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，與此相反，ITIC和端基為單個(gè)甲基的ITIC-M表現(xiàn)出持續(xù)的短路電流和填充因子衰減，而端基有兩個(gè)甲基的ITIC-DM在起初幾百個(gè)小時(shí)以內(nèi)即有很強(qiáng)的短路電流和填充因子衰減。作者分析了穩(wěn)定性最好的PCBM、ITIC-2F和ITIC-Th三個(gè)體系的T₈₀壽命，結(jié)果表明，按照德國南部日平均太陽高峰時(shí)段3.3小時(shí)來計(jì)算，基于ITIC-2F的體系預(yù)期使用壽命可接近10年。

圖2. 基于不同受體的太陽能電池在干燥氮?dú)夥諊谐掷m(xù)光照條件下的穩(wěn)定性

作者通過進(jìn)一步的瞬態(tài)光電壓譜（TPV）和載流子瞬態(tài)抽取測(cè)試 (CE)（圖三）揭示了衰減器件中缺陷相關(guān)的載流子復(fù)合損耗增加。光照線性增壓載流子瞬態(tài)法（Photo-CELIV）（圖四）測(cè)試進(jìn)一步說明缺陷態(tài)增加導(dǎo)致載流子遷移率下降。為深入理解缺陷態(tài)產(chǎn)生的機(jī)制，作者研究了僅基于受體材料的電子傳輸器件在相同白光照射下的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，基于ITIC-2F和ITIC-Th的電子傳輸器件非常穩(wěn)定，而基于ITIC-M和ITIC-DM的器件則迅速衰減，這一結(jié)果與相應(yīng)的太陽能電池的穩(wěn)定性表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，說明太陽能電池的穩(wěn)定性與光照下受體的穩(wěn)定性相關(guān)。傅里葉變換紅外光譜測(cè)試（FTIR）證明了ITIC-DM在光照下發(fā)生共軛健的斷裂，而光致發(fā)光測(cè)試（PL）的熒光淬滅也同樣證明了光照下缺陷態(tài)的產(chǎn)生。

圖3. 載流子壽命與復(fù)合機(jī)制在穩(wěn)定性測(cè)試前后的變化

圖4. 光照線性增壓載流子瞬態(tài)法（Photo-CELIV）測(cè)試電池衰減前后電荷傳輸和抽取的變化

隨后，作者對(duì)活性層形貌進(jìn)行了詳細(xì)研究（圖五）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于ITIC的活性層結(jié)晶態(tài)部分在光照下發(fā)生結(jié)晶取向的改變，而對(duì)于端基和側(cè)鏈修飾的ITIC衍生物其結(jié)晶部分形貌相對(duì)穩(wěn)定。掠入射小角X射線散射測(cè)試（GISAXS）（見原文）則揭示了ITIC-DM在光照下有明顯的聚集態(tài)增加，結(jié)合電致發(fā)光的測(cè)試結(jié)果，作者確認(rèn)了非晶態(tài)共混相形貌的改變也同時(shí)影響了ITIC-DM器件的快速衰減。

圖5. 500小時(shí)光照前后體異質(zhì)結(jié)形貌分析

最后，作者綜合評(píng)估了該材料體系的能量轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性以及合成復(fù)雜度（表一）。分析表明，合成復(fù)雜度的降低對(duì)于提高該系列材料的工業(yè)化指標(biāo)至關(guān)重要。作者同時(shí)指出降低該系列受體材料合成復(fù)雜度在技術(shù)上沒有障礙，預(yù)期短期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)。

表一. The calculation of industrial Figure of Merit (i-FoM) based on the power conversion efficiency (PCE), stability and synthetic complexity (SC) for the investigated material systems.

【文獻(xiàn)信息】

Xiaoyan Du, Thomas Heumueller, Wolfgang Gruber, Andrej Classen, Tobias Unruh, Ning Li, Christoph J. Brabec, Efficient Polymer Solar Cells Based on Non-fullerene Acceptors with Potential Device Lifetime Approaching 10 Years, Joule, DOI: 10.1016/j.joule.2018.09.001.