有机光伏薄膜中光生碳悬键动力学的EPR研究：揭示降解机制与材料稳定性设计

本研究通过X波段电子顺磁共振(EPR)技术，在无氧无湿条件下探究了有机光伏体异质结(BHJ)薄膜中光生碳悬键(CDB)的早期形成与退火动力学。团队以PCE12:PCBM和PCE12:ITIC为模型体系，发现CDB增长符合单分子缺陷形成模型（β～0.55–0.58），揭示了空穴辅助的缺陷产生机制，为设计高稳定性有机太阳能电池提供了关键理论依据。

　　

研究背景与意义
有机光伏(OPV)技术因其低成本、轻量化和柔性特点被视为未来能源与生物传感的重要选项，但长期稳定性问题严重阻碍其商业化。尽管非富勒烯受体(NFA)将单结电池效率推至近20%，光诱导降解仍是核心挑战。过去研究发现，紫外辐照会引发碳悬键(CDB)缺陷，但早期动力学机制尚不明确。美国能源部艾姆斯国家实验室团队选择高效稳定的PCE12（即PBDB-T）与PCBM/ITIC构建BHJ体系，通过EPR首次揭示了CDB形成的幂律增长规律，为理解本征降解提供了分子层面见解。

关键技术方法
研究采用真空密封石英管中滴铸法制备1:1质量比的PCE12:PCBM/ITIC薄膜，通过冻融循环去除氧/水。使用300 nm紫外LED（26 mW）照射样品，利用X波段EPR监测不同时间点的缺陷信号，结合洛伦兹拟合分析g值（2.00249±0.00008）。理论建模基于单分子缺陷产生机制，计算了空穴辅助的C-H键断裂能量路径。

研究结果
1. 材料与方法
实验选用PCE12（聚苯并二噻吩-噻吩共聚物）与PCBM/ITIC的氯苯溶液，通过氮气保护下的高温搅拌确保均匀性。EPR管真空密封技术避免了基底信号干扰。

2. 结果与讨论
EPR谱显示PCBM与ITIC体系均出现典型CDB信号（g≈2.0025）。缺陷密度随辐照时间呈t^β
增长（β=0.55–0.58），与理论预测的β=1/2高度吻合。对比发现，NFA体系(ITIC)缺陷密度低于富勒烯(PCBM)，可能与ITIC的分子刚性有关。

3. 理论分析
提出"空穴-激子协同"模型：给体中的空穴捕获邻近激子猝灭释放的能量，促使α位C-H键断裂形成CDB。密度泛函理论计算显示该过程需克服~1.3 eV能垒，与实验观测的亚线性动力学一致。

结论与展望
研究首次定量描述了BHJ薄膜中CDB的幂律形成动力学，证实空穴介导的缺陷产生是光降解的关键路径。通过调控给体-受体界面结构和分子刚性（如选用ITIC），可有效抑制缺陷。该成果为开发抗紫外降解的OPV材料提供了明确设计方向，推动稳定性突破。论文发表于《Organic Electronics》，被列为理解OPV本征降解机制的里程碑工作。