Advanced Functional Materials:增强有机太阳能电池中稠环电子受体化学和光化学稳定性的新兴化学

易于溶液加工、轻质、兼顾柔性和大面积等是有机太阳能电池拥有广阔应用前景的优点。得益于材料和工艺的不断创新,特别是受体-供体-受体(A-D-A)型稠环电子受体(FREAs)的问世,OSCs的器件性能在过去几年中取得了显著突破,光电转换效率已超过18%。但其商业化应用仍面临着诸多挑战,其中最突出的莫过于器件稳定性。目前,高性能A-D-A型FREAs主要经Knoevenagel缩合反应制得。D-A之间所形成的环外乙烯桥往往具有较高的化学或光化学反应活性,使FREAs的共轭结构易被破坏,导致器件性能出现衰减。

图1. FREAs稳定性的主要问题及有效策略。

华中科技大学李忠安教授课题组针对FREAs化学和光化学稳定性这一问题的前瞻性综述文章,主要内容包括:

(1)总结了目前广泛研究的含亲电环外乙烯桥的FREAs化学和光化学降解机制,包括易受亲核试剂进攻,以及光异构、光氧化引发的降解等;

(2)综述了近年来增强FREAs化学和光化学稳定性方面的新策略,包括界面工程、分子工程以及添加剂工程三个方面。

同时,作者对未来高效、稳定的FREAs的设计也进行了简要的总结和展望:

(1)需要设计本征稳定的新的受体和界面材料,但存在合成挑战性。通过界面工程、添加稳定剂或第三组分等方式解决FREAs的稳定性问题;

(2)全面理解FREAs的降解机制仍然是一个挑战,除环外乙烯桥外的其他不稳定反应位点还有待研究,比如sp3碳上的侧链。此外,FREAs的降解机制需从分子结构、分子聚集态结构、聚集体激发态以及电荷转移态等方面进行协同研究;

(3)在优化现有高性能受体结构的过程中,需要认识到细微的结构变化可能带来效率上的差异;

(4)除了受体材料的本征稳定性外,OSCs还存在其他的稳定性问题,如给体稳定性、亚稳态的活性层形貌、界面层和电极的扩散、热和机械应力的影响等;

(5)应根据OSCs可能的实际应用场景,进行针对性的器件稳定性研究。另外,也急需建立OSCs器件稳定性的测试标准。

论文信息:

Emerging Chemistry in Enhancing the Chemical and Photochemical Stabilities of Fused-Ring Electron Acceptors in Organic Solar Cells

Hongtao Liu, Yibin Li, Shaoheng Xu, Yinhua Zhou, Zhong’an Li*

Advanced Functional Materials

https://doi.org/10.1002/adfm.202106735

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106735