Solar RRL:醌式结构对非富勒烯受体稳定性和光伏性能的影响

具有醌式效应的吸电子性苯并唑类稠环结构,如苯并噻二唑 (BT)或苯并三氮唑 (BTAZ)等,很久以前就被用来设计高性能的聚合物给体材料,而近年来这类结构更是被作为非富勒烯受体的核心单元,获得了一类目前光伏性能最佳的Y系列小分子电子受体,其突出代表是明星分子Y6。受益于苯并唑类稠环强的醌式效应,Y系列受体的吸收扩展到900 nm以上,其独特的结构还进一步降低了能量损失,提高了载流子迁移率,使得基于Y系列受体的有机太阳能电池的开路电压和短路电流大幅度提高,能量转换效率(PCE)突破了18%。然而,目前有机光伏器件的商业化应用仍然受到限制。其主要原因之一就在于各种环境因素,包括光照、加热以及水、氧等都会影响器件的稳定性,进而影响器件的长期使用。其中,非富勒烯受体的稳定性往往是器件寿命的决定性因素。另一方面,尽管苯并唑类结构可以有效提升材料光伏性能,但这类结构对于受体稳定性及其相应光伏性能影响的研究仍然很少。

针对这一问题,浙江大学陈红征教授课题组通过合成具有不同醌式共振能力的非富勒烯受体SSTI,SNTI,NTI和NTTI,对醌式结构对受体稳定性,乃至其光伏性能的影响进行了研究。这类受体采用三种苯并唑环为分子核心,第一种是苯环上稠合了2个噻二唑环,第二种是苯环上稠合了1个噻二唑环和1个三氮唑环,第三种是苯环上只稠合了1个三氮唑环。由于唑环数目和分子结构的不同,上述4种受体的醌式效应依次下降。研究发现,受体的吸收、能级和光/热稳定性都与其醌式效应的强度密切相关。尽管多个唑环的引入可以如预期一样使受体的吸收大幅度红移和能级下降,但也会显著降低其稳定性。同时也发现,相比于薄膜状态,含更强醌式效应核心的受体在溶液中的稳定性会进一步下降。尤其是当给体和受体同时溶解时,会大大加速受体的降解,这很可能是给体的加入促进了氢氧自由基的形成。此外,飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS) 测试结果也表明:醌式效应越强,受体中的C=C双键越容易发生断裂。另一个有趣的发现是,溶液中的受体分子甚至在环境弱光的条件下也会发生分解,即活性层溶液在旋涂成膜前就已变质,造成最后制备的光伏器件效率的急剧劣化。最终,通过降低醌式效应,同时引入三维侧链,制备得到的核心只含有一个唑环的受体(NTTI),其稳定性大幅提高,甚至强于相应给体的稳定性,并因此极大提高了器件的能量转换效率。该研究结果为设计合成更高效稳定的非富勒烯受体提供了参考和借鉴。相关论文以《Influences of Quinoid Structures on Stabilities and Photovoltaic Performance of Nonfullerene Acceptors》为题发表在Advanced Materials子刊Solar RRL (DOI: 10.1002/solr.202000286)上。