Advanced Functional Materials:通过调控光物理行为揭示非富勒烯受体聚集动力学机制

有机太阳能电池因其具有质量轻、成本低、半透明和可大面积印刷制备等特点,受到学术界和工业界的广泛关注。近年来,随着材料设计的不断发展、器件工艺的逐步优化以及对器件物理的深入理解,基于新型非富勒烯受体的有机光伏器件的光电转换效率已经提高至18%。然而除了效率以外,器件目前较差的稳定性则是其走向实际应用的另一个重要挑战。最初优化的光活性层形貌通常处于亚稳态,其会逐渐向热动力学的稳态演化,从而导致严重的形貌衰减;其中非富勒烯受体在器件长期老化过程中的动力学聚集行为尤为突出。

基于以上考虑,山东大学物理学院郝晓涛教授课题组选择自稳定的聚合物受体PDI-2T和小分子给体DRCN5T作为第三组分,并使它们分别与二元体系中的主受体BTP-4Cl和主给体PM6构筑成受体/给体合金态。通过使用溶剂蒸汽退火处理等器件优化工艺,成功制备了两种效率和稳定性同时提高的三元有机太阳能电池。并借助瞬态吸收光谱和时间分辨荧光显微成像技术以及同步辐射表征手段系统地揭示了这两种合金态在抑制非富勒烯受体动力学聚集方面的稳定性功能。其中受体合金(BTP-4Cl和PDI-2T)提高了BTP-4Cl分子的构象刚性,抑制了其分子内振动,使高能激发态快速驰豫。给体合金(PM6和DRCN5T)则优化了PM6聚合物的纤维网状微结构,使BTP-4Cl受体的动力学扩散和聚集行为变慢。此外,作者通过对不同老化时间下的荧光衰减曲线进行全局拟合,定量计算了二元和三元体系的非辐射缺陷态系数,结果表明这两种合金态可以有效地抑制非富勒烯受体聚集诱导的缺陷态增加。

相关工作以“”为题在线发表在期刊Advanced Functional Materials上。博士生张康宁为第一作者,郝晓涛教授为独立通讯作者,山东大学为第一单位。同时感谢上海高等研究院高兴宇研究员对形貌表征提供的帮助;河南师范大学秦朝朝教授对瞬态吸收光谱测试提供的帮助。上述研究工作得到了国家自然科学基金项目、晶体材料国家重点实验室和山东省重大基础研究项目等的大力支持。

论文信息:

Suppressing Kinetic Aggregation of Non-Fullerene Acceptor via Versatile Alloy States Enables High-Efficiency and Stable Ternary Polymer Solar Cells

Kang‐Ning Zhang, Jia‐Jia Guo, Liu‐Jiang Zhang, Chao‐Chao Qin, Hang Yin, Xing‐Yu Gao, Xiao‐Tao Hao

Advanced Functional Materials

DOI:10.1002/adfm.202100316