有机太阳能电池由于其轻质、半透明、颜色可调等优点，成为近年来光电材料研究的前沿和热点。特别是对非富勒烯受体材料的开发利用以及器件优化，使其光电转化效率不断提高，单层器件效率已经突破17%。随着器件效率的逐步提升，如何实现有机太阳能电池的商业化应用将会是未来发展的重点方向。这就要求在提高有机太阳能电池效率的同时，需要低制造成本以及良好的器件稳定性。目前，大多数研究主要集中在材料的设计与合成部分，通过以改变材料的能级、光吸收和分子堆积形态以及优化器件形貌，从而提升非富勒烯太阳能电池的效率。但是对于调节材料混溶性和稳定性的分子设计策略非常缺乏，然而，它们对于保证器件的使用寿命至关重要。因此，研究材料结构与稳定性的相互关系具有重要的意义。
最近，北卡州立大学的Harald Ade教授、北卡罗莱纳大学教堂山分校Wei You教授和香港科技大学颜河教授通过研究具有不同卤素取代基的高效非富勒烯受体材料（ITIC-2Cl和ITIC-2F）后发现，当它们分别与聚合物给体FTAZ共混后，这两个体系同时展示了优异的储存稳定性。通过二次离子质谱分析后发现，ITIC-2Cl和ITIC-2F在室温下分子扩散系数分别为3.4×10-23 和2.0×10-22，这意味着它们在活性层中运动20 nm需要超过10年的时间，这么低的分子扩散系数可以很好地抑制活性层形貌在室温下发生相分离，从而获得优异的储存稳定性。另外，ITIC-2Cl相对ITIC-2F展示出了更加优异的热稳定性，这是由于 ITIC-2Cl和ITIC-2F这两种材料的结晶特性存在着巨大差异，它们的晶体成核和生长速率存在着显著的不同，在室温条件下晶体增长率相差12倍。ITIC-4Cl和ITIC-4F表现出了类似的结果。这项研究结果表明分子扩散系数以及熔融焓和分子的结晶速率息息相关，同时不同卤素原子取代可以明显改变分子的结晶动力学以及对应的器件稳定性。
图1. a）器件结构以及给体与受体材料的分子结构式；b）器件的热稳定性以及储存稳定性。
图2. a）二次离子质谱示意图。b, c）不同退火温度下的ITIC-2F和ITIC-2Cl的归一化SIMS。d）Arrhenius方程的拟合外推温度相关的扩散系数D(T)。
图3. a）不同材料DSC图; b) ITIC-2F和ITIC-2Cl分别在180°C进行10分钟的退火后，再用溶剂蒸汽退火一定时间的后显微镜图像。c) 晶体增长速度。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是北卡州立大学胡华伟博士，通讯作者为胡华伟博士和Harald Ade教授。
The Role of Demixing and Crystallization Kinetics on the Stability of Non‐Fullerene Organic Solar Cells
Huawei Hu, Masoud Ghasemi, Zhengxing Peng, Jianquan Zhang, Jeromy James Rech, Wei You, He Yan, Harald Ade
Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202005348
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