聚合物太阳电池是一种极具发展前景的可再生能源技术，具有轻质、低成本、柔性等优点，已引起了广泛关注。目前，由于新型小分子受体(SMAs)材料体系的不断优化以及器件制备工艺的改进，器件能量转换效率达到了商业化应用的门槛。然而，器件制备过程中伴随着溶剂的快速挥发，聚合物给体和SMAs构建的体异质结处于亚稳态。受体分子的热松弛会导致过度的自聚集使器件性能急剧下降，这是聚合物太阳能电池同时获得高效率和高稳定性的一个难点。为了解决这个难点，他们提出了“扩散受限受体合金”的策略不仅提高器件的稳定性，还提升了器件效率。材料学院研究生张岑和张铭为共同第一作者。材料学院张志国教授和重庆大学陈珊珊博士为论文共同通讯作者。
图1.材料设计思想以及受体合金示意图;
材料设计上，他们基于经典Y6受体的稠环骨架，设计合成了一种新型含有多氟取代的二氮杂环结构的小分子受体ZCCF3，并将其作为第三组分加入到PM6：Y6两元体系中。在材料的合成上，他们在Y6芳香稠环的基础上，通过开环与闭环两步关键反应，最终通过缩合反应得到ZCCF3。值得注意的是，该缩合方法使用了该课题组2022年发表的Lewis酸催化的脑文格缩合方法，实现了快速、定量反应(详细内容见材料学相关新闻报道：张志国教授在《Nature Communications》上发表“低成本合成小分子受体促近聚合物太阳能电池商业化”方面的研究论文)。GIWAXs表征发现，两种受体共混之后，Y6的分子取向发生了改变，这也从微观上证明两种受体之间存在强的相互作用，也说明了合金相的形成。另外，ZCCF3具有比Y6更高的玻璃化转变温度。机理如图1所示，ZCCF3能够与Y6分子形成受体合金，高Tg的ZCCF3像一个铆钉插在Y6相中，限制了Y6在共混薄膜的扩散，从而提高了器件形貌的稳定性。制备的三元器件获得了18.54%的光电转换效率，同时器件在光照下运行350小时后仍能保持原始效率的80%以上，成功实现了高效率与高稳定性之间的平衡。他们提出的“扩散受限受体合金”的策略为一种有效的方法，可以同时提高器件的效率和稳定性。
图2. 光照下器件稳定性得到提升和ZCCF3提升形貌稳定性的机理图
Zhang, C.; Zhang, M.; Zhou, Q.; Chen, S.; Kim, S.; Yao, J.; Zhang, Z.; Bai, Y.; Chen, Q.; Chang, B.; Fu, H.; Xue, L.; Wang, H.; Yang, C.; Zhang, Z.-G., Diffusion-Limited Accepter Alloy Enables Highly Efficient and Stable Organic Solar Cells. Adv. Funct. Mater. 2023. DOI: 10.1002/adfm.202214392
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214392
