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来源：研之成理收集编辑：张志国教授课题组
论文DOI：10.1002/adfm.202214392 目前，聚合物太阳能电池(PSCs)活性层是由聚合物给体和小分子受体共混组成。然而，小分子受体由于具有较低的玻璃化转变温度 (Tg)和易结晶的特点，会导致共混膜的热力学松弛，从而影响薄膜形貌稳定性。为了解决这个问题，本文作者提出了“扩散受限受体合金”的策略用于提高器件的稳定性。本文研究，基于经典Y6受体的稠环骨架，设计合成了一种新型含有多氟取代的二氮杂环结构的小分子受体ZCCF3，并将其作为第三组分加入到PM6：Y6两元体系中。研究表明，ZCCF3不仅能与Y6相容性良好，而且具有比Y6更高的玻璃化转变温度。共混薄膜中，两种受体能形成的合金相能够有效限制受体的扩散。基于改策略制备的三元器件获得了18.54%的光电转换效率（PCE），同时器件在光照下运行350小时后仍能保持原始效率的80%以上，成功实现了高效率与高稳定性之间的平衡。聚合物太阳能电池是一种备受关注、发展前景极其广阔的可再生能源技术。该技术的优点之一是它具有轻质、低成本和柔性的特征。目前，由于新型小分子受体(SMAs)材料体系的不断优化以及器件制备工艺的改进，器件能量转换效率已经达到了商业化应用的门槛。然而，在器件制备过程中，伴随着溶剂的快速挥发，聚合物给体和SMAs构建的体异质结由动力学控制得到，处于热力学的亚稳态。一旦受到热应力，受体分子的热松弛将导致过度的自聚集，从而使器件性能急剧下降，这是聚合物太阳能电池同时获得高效率和高稳定性的难点之一。本项工作中，作者基于经典Y6分子结构，将稠环核上的噻二唑替换为三氟甲基取代的二氮杂环，得到新型受体ZCCF3 (图1)。相比噻二唑单元，这种二氮杂环属于较弱的吸电子基团。七元环结构消弱了π电子在稠环核上的离域致使LUMO能级略微上升。同时，三氟甲基具有较强的非共价相互作用，使得ZCCF3具有较高的玻璃化转变温度 (Tg =115°C)。通过接触角估算得到的ZCCF3与Y6之间的Flory-Huggins相互作用参数(χ)低至0.03，表明二者共混后更倾向于形成受体合金。此外，研究热应力作用下共混薄膜的形貌演变，发现具有较高Tg的ZCCF3可以起到铆钉的作用，两种受体分子间相互作用限制了Y6在共混膜中的扩散。最终，PM6: Y6: ZCCF3三元器件获得的开路电压(VOC)为0.86 V，短路电流密度(JSC)为26.95 mA cm−2，填充因子(FF)为80.01%，PCE达到18.54%。特别值得注意的是，三元器件的热稳定性得到了极大的改善：封装器件在空气中光照350小时后，效率仍能保持初始效率的80%以上。而对于同样程度的效率衰减，PM6：Y6二元器件仅能维持40小时。这些发现为发展高效稳定的聚合物太阳能电池提供了新思路。在材料的合成方面，研究者以Y6芳香稠环为起始原料，通过开环与闭环两步反应，最终合成了ZCCF3分子。值得注意的是，最终产物ZCCF3的合成方法使用了该课题组2022年发表的Lewis酸催化的脑文格缩合方法，实现了快速、定量反应。ZCCF3能够与Y6分子形成受体合金，高Tg的ZCCF3像一个铆钉插在Y6相中，限制了Y6在共混薄膜的扩散，从而提高了器件形貌的稳定性。GIWAXs表征发现，两种受体共混之后，Y6的分子取向发生了改变，这也从微观上证明两种受体之间存在强的相互作用，也说明了合金相的形成。通过紫外吸收发现，ZCCF3与Y6共混之后的吸收峰位于两种受体材料吸收峰之间。这种情况也表现在C-V曲线中，也辅助说明受体合金相的形成。正是由于合金相的形成，共混之后的受体相的Tg得到了提升，弥补了Y6分子Tg低的缺点。同时通过GIWAXs表征也可以发现，ZCCF3的加入也增强了共混膜的结晶性，更有利于激子的解离和传输。得益于EQE响应和器件中激子解离效率的提升，器件的JSC得到提升；同时陷阱辅助复合程度的降低，器件的FF得到提升，最终提升了PCE。18.54%的效率值也是目前基于Y6体系取得的最高效率。通过稳定性测试，三元器件在空气条件下运行350小时之后仍能保持原始效率的80%以上，相较于二元器件，稳定性得到大大提升 (图4)。这种稳定性的提升得益于ZCCF3高的Tg值。因此受体合金相中，ZCCF3起到了铆钉的作用，通过受体之间的相互作用限制了Y6的扩散。因此，在老化前后，共混膜的形貌保持稳定。本工作将Y6稠环核上的噻二唑基团替换为二氮杂环合成了ZCCF3新受体，该受体具有较高的玻璃化转变温度和较高的LUMO能级，且易与Y6形成合金相。由于三元器件具有适当的级联能级，合适的分子聚集，提升了器件的效率。同时，两种受体形成的合金相有效抑制了Y6的扩散提高了器件的稳定性。因此，作者提出的“扩散受限受体合金”的策略为一种有效的方法，可以同时提高器件的效率和稳定性。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202214392更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。