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  非富勒烯電子受體(Non-fullerene Acceptors, NFAs)是近年來有機(jī)太陽(yáng)能電池(Organic solar cells，OSCs)領(lǐng)域公認(rèn)的明星材料, 隨著新型非富勒烯受體分子的不斷發(fā)展，OSCs器件光伏轉(zhuǎn)換效率（Power conversion efficiencies，PCE）取得了極快的進(jìn)展，目前已經(jīng)接近19%。然而，大多數(shù)高效OSCs在使用和儲(chǔ)存期間會(huì)產(chǎn)生效率的衰退，與具有較長(zhǎng)壽命和穩(wěn)定性的硅基太陽(yáng)能電池存在明顯差距。因此，研究OSCs光伏材料與器件性能的降解機(jī)理，對(duì)獲取高穩(wěn)定性并最終推動(dòng)OSCs產(chǎn)業(yè)化意義重大。

  近日，武漢理工大學(xué)王濤教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)總結(jié)了目前高效NFAs的材料與光伏器件穩(wěn)定性，以“Stability of non-fullerene electron acceptors and their photovoltaic devices”為題在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表綜述。

  在這篇綜述中，作者討論了引起NFAs降解的三個(gè)最重要的因素，即化學(xué)、熱和光誘導(dǎo)降解；深入分析了各因素主導(dǎo)下的降解機(jī)理和相應(yīng)的改善途徑；最后對(duì)基于NFAs的OSCs的儲(chǔ)存和運(yùn)行壽命現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，特別是在惰性環(huán)境、室內(nèi)和室外條件下的器件運(yùn)行狀況，提出了進(jìn)一步提高NFAs及其相應(yīng)OSCs穩(wěn)定性的相關(guān)策略。

圖1：該綜述的寫作思路。

1. 化學(xué)穩(wěn)定性

  OSCs的電荷傳輸層與本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）活性層呈“三明治”結(jié)構(gòu)，因此，BHJ活性層中的NFAs不僅受到周圍環(huán)境中O₂和H₂O分子的侵入，還受到不同電荷傳輸層所帶來的化學(xué)環(huán)境的影響。雖然NFAs是通過化學(xué)鍵連接，本質(zhì)上是穩(wěn)定的，但研究發(fā)現(xiàn)位于NFAs的“D”和“A”單元之間的C=C在堿性環(huán)境或界面材料的催化作用下會(huì)斷裂，導(dǎo)致NFAs產(chǎn)生化學(xué)降解和結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)此，可以通過化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法來提高NFAs的化學(xué)穩(wěn)定性，也可以通過界面修飾來避免常用的空穴/電子傳輸層與NFAs之間的化學(xué)反應(yīng)。

圖2：經(jīng)典的非富勒烯電子受體材料ITIC受堿性傳輸層材料PEI而產(chǎn)生的化學(xué)降解和吸光能力的退化。

2. 光穩(wěn)定性

  光誘導(dǎo)降解是有機(jī)半導(dǎo)體的另一種常見降解方式，可分為光化學(xué)降解和光物理降解。NFAs的光化學(xué)降解主要?dú)w因于NFAs分子結(jié)構(gòu)的破壞，而NFAs的光物理降解與光照下的形貌變化有關(guān)。而NFAs分子結(jié)構(gòu)的破壞和活性層形貌變化均會(huì)造成器件穩(wěn)定性下降，因此，分子設(shè)計(jì)和形態(tài)優(yōu)化是增強(qiáng)光穩(wěn)定性最有效的方法。

圖3：非富勒烯受體分子ITIC和富勒烯受體分子PCBM的光穩(wěn)定性對(duì)比，以及非富勒烯分子IDTBR的光穩(wěn)定性。

3. 熱穩(wěn)定性

  溶液涂膜制備的器件光活性層內(nèi)分子常處于一種非平衡狀態(tài)，具有未完成的結(jié)構(gòu)有序化和相分離過程，因此，分子鏈在熱應(yīng)力下會(huì)進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，影響形貌發(fā)展。在OSCs工作時(shí)，對(duì)OSCs的連續(xù)照射會(huì)給光活性層帶來不可避免的熱應(yīng)力。雖然光照射引起的熱應(yīng)力往往無法導(dǎo)致常用有機(jī)半導(dǎo)體材料發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)分解，但會(huì)影響活性層形貌演化，而且形貌演化過程較為復(fù)雜，與電子受體和電子給體的熱力學(xué)和熱應(yīng)力動(dòng)力學(xué)有關(guān)。由于NFAs的熱穩(wěn)定性主要取決于熱應(yīng)力下的形態(tài)變化，因此許多策略如分子工程，構(gòu)建三元共混膜，引入固體添加劑都可以提高較高溫度下的形貌穩(wěn)定性，從而提升熱穩(wěn)定性。

圖4：ITIC分子在不同溫度下形貌變化。

4. 不同條件下的儲(chǔ)存與運(yùn)行穩(wěn)定性

  目前，OSCs的穩(wěn)定性測(cè)試一般有兩種：(1)在暗態(tài)下測(cè)量的儲(chǔ)存穩(wěn)定性；(2)室內(nèi)或室外，在惰性或具有特定光強(qiáng)環(huán)境條件下的運(yùn)行壽命。OSCs的儲(chǔ)存壽命測(cè)量一般是惰性或大氣環(huán)境的無光照條件下的存儲(chǔ)。在惰性氣體環(huán)境下，降解僅與OSCs中界面材料向光活性層的擴(kuò)散或光活性層的形貌變化有關(guān)。然而在 OSCs運(yùn)行時(shí)，其降解主要源于光照引起的光活性層材料和形態(tài)的變化，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性顯著降低。

圖5：有機(jī)太陽(yáng)能電池器件的光電性能變化，和不同環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性。

  最后作者認(rèn)為，NFAs結(jié)構(gòu)的多樣化可以在其降解過程中提供更多的活性位點(diǎn)和帶來復(fù)雜的形貌演變，這雖然給探索其降解機(jī)制帶來了很大挑戰(zhàn)，但也為通過合理的化學(xué)設(shè)計(jì)提高穩(wěn)定性提供了可能。

  本文的第一作者為武漢理工大學(xué)李偉博士，武漢理工大學(xué)王濤教授為本文通訊作者。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(21774097和52073221)和中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(WUT: 2021III016JC)的支持。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104552