菲醌（Phenanthrenequinone）是一种非挥发性、无卤素的固体添加剂，可用于提高有机太阳能电池的热稳定性

《ACS Materials Au》：Phenanthrenequinone, a Nonvolatile, Nonhalogenated Solid Additive, for Enhancing Thermal Stability in Organic Solar Cells

本研究提出9,10-苯并蒽醌（PQ）作为新型非挥发性、无卤素添加剂，显著提升PM6:Y6基有机太阳能电池的热稳定性和光稳定性。实验表明，PQ通过增强主客体分子间作用力，抑制相分离，提高玻璃化转变温度，使器件在85°C下热应力测试后保留93.2%初始效率，并降低毒性、成本，为商业应用提供环保替代方案。

　　有机太阳能电池（OSCs）因其独特的性能而备受关注，包括轻质、机械柔韧性、可调的光电特性、溶液加工性、成本效益以及半透明性等。这些特性使得OSCs成为下一代能源技术的重要候选者，适用于多种应用场景。然而，尽管OSCs在性能上取得了显著进步，其长期稳定性仍然是制约其商业化的重要因素。特别是在高温、光照、氧气和湿度等环境因素影响下，OSCs的性能容易发生退化，从而限制了其在实际应用中的表现。

在以往的研究中，各种添加剂被引入以提升OSCs的性能。然而，常用的溶剂添加剂往往会对设备稳定性造成负面影响，并且含有有害的卤素元素。虽然一些研究尝试引入高沸点溶剂添加剂和固体添加剂，但这些材料可能含有毒性成分，或者需要复杂的合成过程，从而增加了生产成本和环境负担。更重要的是，对于这些添加剂在不同环境条件下的综合降解机制仍缺乏系统性的理解。尽管某些固体添加剂可能在特定条件下提升稳定性，但它们也可能通过化学反应性、缺陷形成或增加能量无序等机制，导致长期的不稳定。因此，全面了解这些添加剂如何影响光电转换效率（PCE）和稳定性，是开发可靠、商业化的OSCs的关键。

本研究引入了一种新的非挥发性、非卤素的固体添加剂——9,10-苯并菲醌（PQ），以替代常用的挥发性、含卤素的有毒溶剂添加剂CN。PQ是一种商业上可获得、成本低廉、无挥发性和无卤素的材料，其分子结构包含一个刚性共轭主链和近平面几何结构，具有两个羰基基团，与两个苯环融合。这种设计使得PQ能够促进π–π堆叠，从而增强薄膜的结晶性，同时其羰基基团可以促进BHJ（体异质结）层内的分子间相互作用，抑制形态退化。此外，PQ还被选为改善未封装OSCs的光稳定性和热稳定性的材料。我们系统地评估了PQ在多种降解条件下的性能，包括国际有机光伏稳定性峰会（ISOS）协议中的暗稳定性（ISOS-D-1）、光稳定性（ISOS-L-1）和热稳定性（ISOS-T-1），以建立对PQ性能增强和稳定作用的全面认识。这些协议在2011年被首次用于OSCs的稳定性评估，2020年则被扩展至钙钛矿太阳能电池，旨在提供实验室间的稳定性评估的一致性和可重复性。

PQ的引入显著提升了PM6:Y6体系的OSCs的光电转换效率。在常规结构的OSCs中，PQ使PCE从14.3%提升至15.2%，而在倒置结构的OSCs中，PCE从12.6%提升至13.1%。这种提升主要归因于短路电流（Jsc）的增加，这与AFM分析中观察到的细粒相分离和增强的结晶性密切相关。此外，PQ的加入还带来了更可重复的稳定性数据，尤其是在不同操作环境（如空气或氮气环境）和不同设备结构（常规或倒置）下，PQ的稳定性表现尤为突出。例如，在氮气环境中，PM6:Y6+PQ设备在85°C下经过180小时的热应力测试后，仍能保持其初始PCE的93.2%，相比之下，参考设备仅保留了76.6%。这一结果表明，PQ在提升设备热稳定性方面表现出色，为未来商业化提供了重要的参考价值。

为了验证PQ对BHJ薄膜形态的影响，我们通过UV–vis–NIR吸收光谱和AFM拓扑图进行了研究。在85°C的氮气环境中，PM6:Y6+PQ薄膜的吸收光谱几乎没有变化，这表明PQ能够稳定PM6，防止其因热应力导致的褪色。而在Y6区域，所有薄膜均表现出J-聚集现象，吸收峰向红移，从而增强其结晶性。不过，PM6:Y6+PQ薄膜在红移后几乎没有进一步的变化，这表明其形态在热应力下保持稳定，而PM6:Y6+CN薄膜则表现出明显的形态变化，包括域尺寸的增大和吸收峰的明显漂移，这可能是由于CN导致的Y6过纯化和相分离加剧。这些结果进一步证明了PQ在维持细粒相分离和稳定分子排列方面的作用，从而显著提升了设备的形态稳定性。

为了更深入地理解PQ对设备稳定性的影响，我们还采用了FTIR技术对新鲜和热老化后的薄膜进行了化学变化的分析。结果显示，PQ的加入并未引起明显的化学降解，其吸收光谱的变化主要源于薄膜形态的改变，而非化学反应。这表明PQ能够与PM6和Y6分子形成有利的分子间相互作用，促进其在BHJ中的良好融合。PQ的极性功能团，如羰基（C=O）和氰基（C≡N），可以引发偶极相互作用，从而抑制相分离和能量无序，提升薄膜的稳定性。此外，PQ的加入还提高了设备的电荷迁移率，这在电子仅和空穴仅的单载流子器件中尤为明显。PQ能够增强电子和空穴的迁移，这可能有助于实现更平衡的电荷传输，提高电荷收集效率，从而提升整体性能。

在热稳定性方面，PQ的加入显著改善了设备的耐久性。对于倒置结构的设备，PQ能够有效抑制热应力引起的性能退化，使其在85°C下保持稳定。而在常规结构中，尽管PQ提升了设备的热稳定性，但其在某些条件下（如空气环境）的表现略逊于倒置结构，这可能是由于常规结构中的PDINO层在热应力下容易发生退化。因此，PQ的加入不仅提升了设备的形态稳定性，还改善了其在不同环境下的电荷传输特性，从而增强了设备的长期可靠性。

此外，我们还研究了PQ对设备光稳定性和电荷载体动力学的影响。在氮气环境中，PQ设备在光照下表现出较高的稳定性，其PCE、Jsc和FF均保持良好，而其他设备则出现明显的性能下降。这一结果表明，PQ能够有效抑制光氧化降解，保持电荷载体的稳定。同时，PQ的加入还降低了电荷复合的可能性，提升了设备的效率和稳定性。

综上所述，PQ作为一种新型的非挥发性、非卤素的固体添加剂，不仅提升了OSCs的光电转换效率，还显著增强了其在不同环境条件下的稳定性。这种材料具有低成本、商业可获得性、环境友好性以及提升效率和稳定性的多重优势，为OSCs的商业化发展提供了重要的技术支持。未来的研究可以进一步探索PQ与其他材料的兼容性，以及其在不同环境条件下的具体作用机制，以期实现更广泛的工业应用。