有機太陽能電池（OSCs）因具有輕、薄、柔以及可溶液加工等突出優(yōu)點，在可穿戴、便攜式能源及建筑光伏一體化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。眾所周知，高能量轉(zhuǎn)換效率（PCEs）和長期穩(wěn)定性對于有機太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要。近年來，得益于新型小分子受體的研究，有機光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率得到顯著提升，但是小分子在光、熱等條件下的快速擴散會引起形貌退化，導(dǎo)致含有小分子受體的光伏活性層通常存在器件穩(wěn)定性較差的問題。相較于小分子受體，具有高分子量、大分子尺寸特征的寡聚受體，因其較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）使分子的擴散行為和形貌衰退受到抑制，對提高OSCs的長期穩(wěn)定性至關(guān)重要，但是較大分子尺寸的寡聚物往往表現(xiàn)出更為復(fù)雜的分子構(gòu)型，分子堆疊及相分離行為難以控制，會嚴重影響光伏電池的性能。因此，面向兼具高光伏效率、高穩(wěn)定性的有機太陽能電池，開發(fā)新型寡聚受體的設(shè)計策略既有必要同時也極具挑戰(zhàn)性。
近期，青島能源所包西昌研究員帶領(lǐng)的先進有機功能材料與器件團隊在新型多臂寡聚受體的研究中取得重要進展，開發(fā)了兩類多臂寡聚受體3BY和3QY，并通過調(diào)節(jié)非稠合核心單元的剛?cè)岫龋瑢崿F(xiàn)對外圍功能臂的構(gòu)型及聚集態(tài)調(diào)控，顯著提高了OSCs的光伏效率和穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)剛性π-稠合核心不同，該研究中采用的非稠合結(jié)構(gòu)賦予材料更高的柔性和適應(yīng)性，從而減輕了核心單元對寡聚物構(gòu)型和聚集行為的制約。同時，通過在非稠合中心引入多維非共價鍵分子內(nèi)相互作用，實現(xiàn)了對分子間堆積及給受體共混動力學(xué)更為精細的優(yōu)化。最終，以聚合物PM6為給體，基于3QY的光伏電池PCE達到19.27%（權(quán)威驗證效率18.80%），優(yōu)于基于3BY器件的性能（17.75%），位列目前已報道的寡聚受體的最高效率。更為重要的是，新型寡聚物的大分子尺寸顯著提升了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，抑制了電池運行時分子擴散速率，從而增強了光伏器件的穩(wěn)定性。在80oC連續(xù)加熱條件下，PM6:3QY光伏電池的T80%壽命（性能衰減到初始效率的80%所需要的時間）超過3000小時。該研究不僅明確了多臂寡聚物受體的結(jié)構(gòu)-性能內(nèi)在關(guān)系，還提出了基于非稠合核心的新型寡聚受體設(shè)計策略，為高效且穩(wěn)定OSCs的研究提供了新思路。
相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Energy & Environmental Science期刊（Energy Environ. Sci.,2024,DOI: 10.1039/D4EE04149F）。論文第一作者為博士后孫成和王劍曉，通訊作者為包西昌研究員和李永海副研究員。本研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會、山東能源研究院、中國博士后科學(xué)基金、及山東省博士后創(chuàng)新人才支持計劃等項目資助。
