有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）因具有輕、薄、柔以及可溶液加工等突出優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴、便攜式能源及建筑光伏一體化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。眾所周知，高能量轉(zhuǎn)換效率（PCEs）和長(zhǎng)期穩(wěn)定性對(duì)于有機(jī)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要。近年來(lái)，得益于新型小分子受體的研究，有機(jī)光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率得到顯著提升，但是小分子在光、熱等條件下的快速擴(kuò)散會(huì)引起形貌退化，導(dǎo)致含有小分子受體的光伏活性層通常存在器件穩(wěn)定性較差的問(wèn)題。相較于小分子受體，具有高分子量、大分子尺寸特征的寡聚受體，因其較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）使分子的擴(kuò)散行為和形貌衰退受到抑制，對(duì)提高OSCs的長(zhǎng)期穩(wěn)定性至關(guān)重要，但是較大分子尺寸的寡聚物往往表現(xiàn)出更為復(fù)雜的分子構(gòu)型，分子堆疊及相分離行為難以控制，會(huì)嚴(yán)重影響光伏電池的性能。因此，面向兼具高光伏效率、高穩(wěn)定性的有機(jī)太陽(yáng)能電池，開(kāi)發(fā)新型寡聚受體的設(shè)計(jì)策略既有必要同時(shí)也極具挑戰(zhàn)性。
近期，青島能源所包西昌研究員帶領(lǐng)的先進(jìn)有機(jī)功能材料與器件團(tuán)隊(duì)在新型多臂寡聚受體的研究中取得重要進(jìn)展，開(kāi)發(fā)了兩類(lèi)多臂寡聚受體3BY和3QY，并通過(guò)調(diào)節(jié)非稠合核心單元的剛?cè)岫龋瑢?shí)現(xiàn)對(duì)外圍功能臂的構(gòu)型及聚集態(tài)調(diào)控，顯著提高了OSCs的光伏效率和穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)剛性π-稠合核心不同，該研究中采用的非稠合結(jié)構(gòu)賦予材料更高的柔性和適應(yīng)性，從而減輕了核心單元對(duì)寡聚物構(gòu)型和聚集行為的制約。同時(shí)，通過(guò)在非稠合中心引入多維非共價(jià)鍵分子內(nèi)相互作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)分子間堆積及給受體共混動(dòng)力學(xué)更為精細(xì)的優(yōu)化。最終，以聚合物PM6為給體，基于3QY的光伏電池PCE達(dá)到19.27%（權(quán)威驗(yàn)證效率18.80%），優(yōu)于基于3BY器件的性能（17.75%），位列目前已報(bào)道的寡聚受體的最高效率。更為重要的是，新型寡聚物的大分子尺寸顯著提升了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，抑制了電池運(yùn)行時(shí)分子擴(kuò)散速率，從而增強(qiáng)了光伏器件的穩(wěn)定性。在80oC連續(xù)加熱條件下，PM6:3QY光伏電池的T80%壽命（性能衰減到初始效率的80%所需要的時(shí)間）超過(guò)3000小時(shí)。該研究不僅明確了多臂寡聚物受體的結(jié)構(gòu)-性能內(nèi)在關(guān)系，還提出了基于非稠合核心的新型寡聚受體設(shè)計(jì)策略，為高效且穩(wěn)定OSCs的研究提供了新思路。
相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Energy & Environmental Science期刊（Energy Environ. Sci.,2024,DOI: 10.1039/D4EE04149F）。論文第一作者為博士后孫成和王劍曉，通訊作者為包西昌研究員和李永海副研究員。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、山東能源研究院、中國(guó)博士后科學(xué)基金、及山東省博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目資助。
