聚合物太阳能电池（PSCs）因其具有质量轻、柔性强、色彩丰富等优点而备受关注。特别是，近几年窄带隙非富勒烯小分子受体材料广泛应用于有机光伏领域，使得PSCs的能量转换效率（PCE）从11%提高到了19%以上，接近理论值。然而，PSC组件在户外环境运行时会受到热应力因素影响，通常会使得活性层形貌发生演变，最终导致器件性能衰减。因此，活性层热稳定性问题是有机太阳能电池实现商业应用必须妥善解决的科学难题。
近日，我们课题组设计并合成了一种铰链状二聚体小分子受体材料DT19（图1a），并将其作为第三组分引入到PM1:BTP-eC9二元体系中，实现了对于初始体系效率和热稳定性的协同提升。值得一提的是，PM1:BTP-eC9:DT19三元体系在120 °C下加热处理200小时后，其PCE仍保持在90%以上（图1b）。此外，该二聚体掺杂策略对其他多种Y系列体系也表现出了良好的普适性，且在热稳定性方面的优势明显优于传统三元合金受体体系。研究发现DT19具有特殊的铰链式结构，可以与主受体小分子形成半合金受体相，这一结构同时会与聚合物给体之间产生强烈的链缠结作用，有效克服了在热应力下活性层的过大相分离及其小分子材料的过度聚集现象（图1c）。这种二聚体掺杂策略以及本研究工作的成果可以为分子设计开发提供创新的见解，并加快有机光伏技术实际应用的进程。
该工作以“Enabling highly efficient and thermal-stable polymer solar cells through semi-alloy acceptors composed of a hinge-like dimer: a versatile doping protocol”为题发表在《Advanced Materials》上（Adv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202302592）。文章第一作者是武汉大学博士生万继。该研究工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的支持。
图1：（a）DT19的化学结构式；（b）在120 °C条件下处理200小时过程中，PM1:BTP-eC9，PM1:BTP-eC9:L8-BO和PM1:BTP-eC9:DT19体系的归一化PCE变化情况；（c）本工作研究的三元合金体系和三元半合金体系在热应力前后活性层形态的变化示意图
该工作是我们课题组近期关于分子设计与形貌调控来协同提升器件效率与稳定性研究的最新进展之一。基于小分子给/受体材料的活性层体系通常在光、热应力条件下易发生形貌演变，从而导致器件性能的极具衰减；妥善解决器件光热稳定性问题是有机太阳能电池能否商业化应用的关键。为此我们课题组系统探索了这类活性层体系的成膜特点与构效关系（Adv. Energy Mater. 2021, 2102135; Angew, 2019, 58, 14556），深刻揭示了相关小分子材料体系的形貌演化机制和性能衰减机理（Joule, 2021, 5, 1209; Energy Environ. Sci., 2019, 12, 3118; Energy Environ. Sci., 2019, 12, 2518），开发了一些协同提升基于小分子材料的活性层体系器件效率和稳定性的分子设计与形貌调控策略（Adv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202302592; Adv. Mater. 2023, 35, 2300531; Adv. Mater., 2022, 34, 2110147; Nat. Commun., 2020, 11, 1218; Energy Environ. Sci., 2019, 12, 384）。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202302592。
