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  近日，北京化工大學(xué)材料學(xué)院張志國(guó)教授與林雪平大學(xué)高峰教授合作在《Advanced Materials》雜志上在線發(fā)表了題為“Tethered Small-Molecule Acceptors Simultaneously Enhances the Efficiency and Stability of Polymer Solar Cells”的研究論文，該論文提出了一種鏈接小分子受體的新策略(Tethered Small-Molecule Acceptors, TSMA)，并基于該策略構(gòu)筑了二聚化的受體材料，實(shí)現(xiàn)了器件效率與穩(wěn)定性的同時(shí)大幅度提升，該研究為新型受體光伏材料的開發(fā)提供了新思路。李尚宇、張睿、張銘為論文的共同第一作者，該工作得到了李永舫院士的指導(dǎo)以及論文修改中的幫助。

 圖1. TSMA的設(shè)計(jì)概念示意圖以及DY2分子結(jié)構(gòu)

  聚合物太陽(yáng)能電池(PSCs)以其輕薄柔，可低成本大規(guī)模制備，易于與建筑一體化集成等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。近年來(lái)，非富勒烯小分子受體（例如明星分子ITIC、Y6)的發(fā)展推動(dòng)了PSCs光電轉(zhuǎn)換效率突破了19%，達(dá)到了商業(yè)應(yīng)用的閾值。然而器件的穩(wěn)定性成為PSCs商業(yè)化道路上又一大障礙。PSCs是一種基于共混體相異質(zhì)結(jié)的光伏技術(shù)，器件制備中通過精細(xì)調(diào)控聚合物給體和非富勒烯受體(SMA)的相分離以實(shí)現(xiàn)對(duì)激子的高效拆分和傳輸。然而這種體相異結(jié)結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，共混相的熱力學(xué)松弛會(huì)影響到器件的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。

  通過將小分子受體共聚，構(gòu)筑PSMA類聚合物受體(Polymerized SMAs)，提升玻璃轉(zhuǎn)換溫度，可以很好的克服SMAs類光伏器件形貌穩(wěn)定性的問題¹。PSMA策略的成功，也激發(fā)了研究人員嘗試發(fā)展基于2-3個(gè)SMA單元的寡聚體以克服PSMA器件批次穩(wěn)定性。不同于使用共軛單元連接SMA單元的策略，他們發(fā)展了柔性側(cè)鏈接SMA單元的新策略²，同時(shí)他們考察了不同柔性間隔基團(tuán)的長(zhǎng)度來(lái)對(duì)TSMA受體的聚集和松弛行為、以及光伏性能的影響。合成上該策略可以減少對(duì)有毒錫試劑以及昂貴金屬催化劑的依賴，同時(shí)所得材料具有更好的溶解度以確保溶液加工性。與單個(gè)Y6受體相比，TSMA類受體具有更高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，更完美的多級(jí)相分離結(jié)構(gòu)及相區(qū)純度，為實(shí)現(xiàn)電子輸運(yùn)提供有效通道。更為重要的是，通過柔性鏈將Y6分子連接，增大了分子體積，有效抑制了SMA分子的運(yùn)動(dòng)以及與給體聚合物共混中的松弛行為。其中二聚體DY2獲得了17.85%的高效率，而Y6的效率僅為16.9%，效率的提升也得益于器件開路電壓的提升。更為重要的是，相對(duì)與Y6受體制備的器件，基于DY2的器件穩(wěn)定性得到了大幅度提升，在光照下運(yùn)行700小時(shí)仍能保持超過80%的效率，同時(shí)85℃連續(xù)退火作用下也表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性(圖2)。

  參考文獻(xiàn)：

  1. Zhang, Z.-G.*; Li, Y.*, Polymerized Small Molecule Acceptors for High Performance All-polymer Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 (9), 4422-4433.

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202009666

  2. Li, S.;  Zhang, R.;  Zhang, M.;  Yao, J.;  Peng, Z.;  Chen, Q.;  Zhang, C.;  Chang, B.;  Bai, Y.;  Fu, H.;  Ouyang, Y.;  Zhang, C.;  Steele, J. A.;  Alshahrani, T.;  Roeffaers, M. B. J.;  Solano, E.;  Meng, L.;  Gao, F.*;  Li, Y.; Zhang, Z.-G.*, Tethered Small-Molecule Acceptors Simultaneously Enhances the Efficiency and Stability of Polymer Solar Cells. DOI: 10.1002/adma.202206563.

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206563