有機(jī)太陽能電池（OSCs）的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）目前已經(jīng)接近商業(yè)化應(yīng)用的門檻。然而，阻礙OSCs發(fā)展的其中一個(gè)重要方面就是有機(jī)半導(dǎo)體分子的光降解行為。這是因?yàn)榉歉焕障┦荏w（NFAs）的固有光穩(wěn)定性尚不理想，在環(huán)境光照下會(huì)發(fā)生一定的降解。通常，只有在排除氧氣和紫外光干擾的情況下，OSCs的理想工作壽命才能夠得到保證。
通過醛基和活性亞甲基之間的Knoevenagel縮合（KC）反應(yīng)來合成A-D-A型的非稠環(huán)NFAs，由于其分子特性易于調(diào)節(jié)，通常具有很高的光電性能，但其實(shí)也破壞了自身的光化學(xué)穩(wěn)定性。一方面是由于外環(huán)乙烯基雙鍵比芳香單元中的雙鍵更容易受到光氧化的作用，而另一方面KC反應(yīng)具有一定的可逆性。因此，防止環(huán)外乙烯基的副反應(yīng)是提高NFAs內(nèi)在穩(wěn)定性的關(guān)鍵，目前還缺乏有效的方法。近年來，半稠環(huán)和非稠環(huán)受體（SFRAs和NFRAs）得到了迅速發(fā)展，它們具有較低的合成復(fù)雜度和良好的PCE性能。然而，進(jìn)一步探索具有內(nèi)在光化學(xué)穩(wěn)定性的有機(jī)半導(dǎo)體，以及了解它們的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系，對于最終開發(fā)穩(wěn)定的光電器件具有很大的意義。
基于以上的考慮，近日，浙江大學(xué)李昌治研究員研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)而系統(tǒng)地研究了具有代表性的稠環(huán)、半稠環(huán)和非稠環(huán)A-D-A型 NFAs的光降解途徑，并揭示這些獨(dú)特分子中的外環(huán)乙烯基的光異構(gòu)化產(chǎn)物。這種不利的光化學(xué)反應(yīng)破壞了NFAs的共軛程度和分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致基于非富勒烯OSCs性能的不可逆衰減。然而，研究發(fā)現(xiàn)，NFRAs卻表現(xiàn)出良好的光伏性能和光化學(xué)耐受性。按照降解速率來看，PTIC（非稠環(huán)，9.00×10-4 h-1）<PTICH（非稠環(huán)，2.30×10-3 h-1）<HF-PCIC（半稠環(huán)，1.36×10-2 h-1）<IT-4F（稠環(huán)，1.48×10-2 h-1），這是因?yàn)镹FRAs的獨(dú)特結(jié)構(gòu)限制了其在分子水平和凝聚體中的光異構(gòu)化。 圖2:不同分子的光穩(wěn)定性探究 隨著一系列深入的研究，研究人員發(fā)現(xiàn)這些A–D–A型NFAs從分子水平到宏觀凝聚體的結(jié)構(gòu)限制對于增強(qiáng)其自身以及衍生的非富勒烯OSCs的光穩(wěn)定性尤為重要。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要因素有兩個(gè)：1.通過在A-D-A NFAs中擴(kuò)展外鏈來抑制乙烯基的光異構(gòu)化。2.利用平面SP3無碳骨架促進(jìn)分子的緊密堆積。因此，PTIC具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性。事實(shí)上，研究人員認(rèn)為這些發(fā)現(xiàn)只闡述了NFAs影響OSCs光穩(wěn)定性的部分原因，但從這些獨(dú)特的例子中得到的結(jié)論為設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的有機(jī)光伏材料和衍生OSCs提出了新的見解。 圖3:PTIC的光穩(wěn)定性和單晶分析 綜上，該工作不僅揭示了NFAs的結(jié)構(gòu)與光化學(xué)穩(wěn)定性之間的部分聯(lián)系，也為設(shè)計(jì)更穩(wěn)定和高效的有機(jī)光伏材料提供了相應(yīng)的策略。相關(guān)研究成果現(xiàn)已發(fā)表在《Nature Communications》上，題為“Molecular insights of exceptionally photostable electron acceptors for organic photovoltaics”。 本文關(guān)鍵詞：有機(jī)太陽能電池，OSC，非富勒烯受體，非稠環(huán)受體，光穩(wěn)定性，IT-4F，PTIC。
