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  非富勒烯電子受體(Non-fullerene Acceptors, NFAs)是近年來有機太陽能電池(Organic solar cells，OSCs)領域公認的明星材料, 隨著新型非富勒烯受體分子的不斷發展，OSCs器件光伏轉換效率（Power conversion efficiencies，PCE）取得了極快的進展，目前已經接近19%。然而，大多數高效OSCs在使用和儲存期間會產生效率的衰退，與具有較長壽命和穩定性的硅基太陽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理，對獲取高穩定性并最終推動OSCs產業化意義重大。

  近日，武漢理工大學王濤教授團隊系統總結了目前高效NFAs的材料與光伏器件穩定性，以“Stability of non-fullerene electron acceptors and their photovoltaic devices”為題在《Advanced Functional Materials》上發表綜述。

  在這篇綜述中，作者討論了引起NFAs降解的三個最重要的因素，即化學、熱和光誘導降解；深入分析了各因素主導下的降解機理和相應的改善途徑；最后對基于NFAs的OSCs的儲存和運行壽命現狀進行了概述，特別是在惰性環境、室內和室外條件下的器件運行狀況，提出了進一步提高NFAs及其相應OSCs穩定性的相關策略。

圖1：該綜述的寫作思路。

1. 化學穩定性

  OSCs的電荷傳輸層與本體異質結（BHJ）活性層呈“三明治”結構，因此，BHJ活性層中的NFAs不僅受到周圍環境中O₂和H₂O分子的侵入，還受到不同電荷傳輸層所帶來的化學環境的影響。雖然NFAs是通過化學鍵連接，本質上是穩定的，但研究發現位于NFAs的“D”和“A”單元之間的C=C在堿性環境或界面材料的催化作用下會斷裂，導致NFAs產生化學降解和結構破壞。對此，可以通過化學結構設計方法來提高NFAs的化學穩定性，也可以通過界面修飾來避免常用的空穴/電子傳輸層與NFAs之間的化學反應。

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

2. 光穩定性

  光誘導降解是有機半導體的另一種常見降解方式，可分為光化學降解和光物理降解。NFAs的光化學降解主要歸因于NFAs分子結構的破壞，而NFAs的光物理降解與光照下的形貌變化有關。而NFAs分子結構的破壞和活性層形貌變化均會造成器件穩定性下降，因此，分子設計和形態優化是增強光穩定性最有效的方法。

圖3：非富勒烯受體分子ITIC和富勒烯受體分子PCBM的光穩定性對比，以及非富勒烯分子IDTBR的光穩定性。

3. 熱穩定性

  溶液涂膜制備的器件光活性層內分子常處于一種非平衡狀態，具有未完成的結構有序化和相分離過程，因此，分子鏈在熱應力下會進一步運動，影響形貌發展。在OSCs工作時，對OSCs的連續照射會給光活性層帶來不可避免的熱應力。雖然光照射引起的熱應力往往無法導致常用有機半導體材料發生化學結構分解，但會影響活性層形貌演化，而且形貌演化過程較為復雜，與電子受體和電子給體的熱力學和熱應力動力學有關。由于NFAs的熱穩定性主要取決于熱應力下的形態變化，因此許多策略如分子工程，構建三元共混膜，引入固體添加劑都可以提高較高溫度下的形貌穩定性，從而提升熱穩定性。

圖4：ITIC分子在不同溫度下形貌變化。

4. 不同條件下的儲存與運行穩定性

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

圖5：有機太陽能電池器件的光電性能變化，和不同環境下的運行穩定性。

  最后作者認為，NFAs結構的多樣化可以在其降解過程中提供更多的活性位點和帶來復雜的形貌演變，這雖然給探索其降解機制帶來了很大挑戰，但也為通過合理的化學設計提高穩定性提供了可能。

  本文的第一作者為武漢理工大學李偉博士，武漢理工大學王濤教授為本文通訊作者。感謝國家自然科學基金面上項目(21774097和52073221)和中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(WUT: 2021III016JC)的支持。

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