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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PM6:Y6:dT9TBO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（PM6:Y6:dT9TBO） 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。Dimer Acceptor Adopting a Flexible Linker for Efficient and Durable Organic Solar CellsFeng Qi+, Yanxun Li+, Rui Zhang, Francis R. Lin, Kaikai Liu, Qunping Fan, Alex K.-Y. Jen*Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202303066任广禹（Alex K.-Y. Jen）教授是欧洲科学院外籍院士和华盛顿州立科学院院士。香港城市大学李兆基讲座教授（材料科学）、香港清洁能源研究院院长、化学系讲座教授及材料科学系讲座教授，并曾担任香港城市大学副校长、西雅图华盛顿大学波音-莊臣讲座教授与材料科学及工程系主任，以及先进材料及技术研究所所长，并获华盛顿州州长委任为清洁能源研究所首席科学家。任教授在学术领域有突出的成就和极高的引用率，与其他学者合著SCI研究论文1000余篇，并获邀作演讲650多次，著作获引用80000余次，H指数达149，并且是63项专利及发明的共同发明人。他专注于跨学科研究，范围涵盖光子学、能源、感应器及纳米医学等领域的功能材料和器件。他于2014-2022年连续被评为汤姆森路透“高被引用科学家”，也在2015及2016年获评为“全球最具影响力的科学头脑”。任教授在钙钛矿光伏领域取得了一系列杰出成果，并因其巨大贡献被国际权威机构《泰晤士高等教育》（Times Higher Education）评为钙钛矿太阳能电池领域世界领先的十位科学家之一。身为国际知名学者，亦获选为美国材料研究学会、美国化学学会、美国光学学会、国际光学工程学会、美国科学促进会等众多学会Fellow。他在产学合作和技术转移上也展现出高超的能力，是华盛顿大学先进能源材料研究所的创始人，并曾被华盛顿州州长任命为华盛顿技术中心董事，推动产学合作和技术转移。https://www.x-mol.com/university/faculty/1589点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊