|唐卫华团队CEJ: 烷氧基侧链与氯化端基共同影响非稠环受体分子性能

文章图片

文章图片

文章图片

导语：研究人员设计并合成了三种新型简单的非稠环电子受体分子：DBT-EH、DBT-BO和DBT-HD ，并与聚合物给体PBDB-T共同制备了一系列有机太阳能电池器件，比较了相应的性能，光电转换效率（PCE）最高达13.57% ，填充因子（FF）高达73.39% 。
1.前言
有机太阳能电池（OSCs）凭借其重量轻、成本低、灵活性和可溶液处理等优点近年来受到人们的热切关注。由于光伏材料的创新，特别是稠环非富勒烯受体（FREAs）的问世，使得OSCs的效率实现了里程碑式的突破。目前，以Y6为代表的A-DA'D-A型分子已将单结OSCs的光电转换效率（PCE）提高到18%以上。与此同时，非共价稠环受体（NFREAs）也逐渐成为热点。从分子设计的角度来看， O··S、O··H和S··N等分子内非共价相互作用可以赋予NFREAs类似于FREAs的平面梯形结构，从而促进分子间π-π堆积以获得高电子迁移率。此外， NFREAs具有结构多样性和合成简单的特点，可以用于探索具有低成本效益的受体材料。
事实上，围绕核心、端基和侧链的分子工程已被广泛应用于分子优化，而端基卤化（通常为氟化或氯化）无疑是最成功的策略之一。相比于氟化，氯化在调节光学和电学特性方面更为有效，这使得分子具有较低的能级和吸收红移，从而可以提高其器件中的开路电压（VOC）和短路电流（JSC）。此外，原子尺寸较大的氯原子增强了π电子的重叠，改善了分子内电荷转移（ICT）和晶体性质。然而，高性能氯化的NFREAs体系目前还鲜有报道。

图1:相关分子结构与PCE比较

2.简介
基于上述的因素，近日，南京理工大学唐卫华教授研究团队利用DBT单元作为中心核，并以IC-2Cl作为端基设计了三种新型不对称NFREAs：DBT-EH、DBT-BO和DBT-HD 。这三种分子分别以2-乙基己基（EH）、2-丁基辛基（BO）和2-己基癸基（HD）为烷氧基侧链，最终揭示了中心侧链对氯化NFREAs的光电和光伏性能的影响。研究结果显示，这三种新型受体分子在550-850 nm处表现出几乎相同的能级和强吸收，光学带隙低于1.40 eV 。

图2:相关器件的光伏性能

研究人员将三种NFREAs应用于制备高性能OSCs器件之中，当与聚合物给体PBDB-T共混时，基于DBT-HD的共混膜显示出纤维状互穿网络纳米结构，可以实现有效的电荷传输，最佳PCE高达13.57% ，其中VOC为0.85 V ， JSC为21.75 mA cm-2 ，填充因子（FF）为73.39% ，明显优于基于DBT-BO（12.59% ， 70.96%）、DBT-EH（8.54% ， 54.30%）及其氟化DBT-4F（12.14% ， 70.24%）的器件，而且该器件的能量损失低至0.53 eV 。据悉， 13.57%的PCE和73.39%的FF是文献中基于NFREAs的二元OSCs的最高值之一。这些结果也表明，端基氯化和中心侧链的分子工程在探索具有低成本效益NFREAs方面潜力无限。

图3:相关器件的形貌表征

3.总结
综上，该工作不仅合成了高性能、低成本的NFREAs ，同时也为相关的分子设计提供了新的策略，相关研究成果现已发表在《Chemical Engineering Journal》上，题为“Chlorinated unfused acceptor enabling 13.57% efficiency and 73.39% fill factor organic solar cells via fine-tuning alkoxyl chains on benzene core” 。
本文关键词：有机太阳能电池，非稠环受体，分子堆积，电荷传输， PBDB-T ， DBT-EH ， DBT-BO ， DBT-HD 。
4.材料

PBDB-T：1415929-80-4

Y6：2304444-49-1

BTP-eC9：2598965-39-8

【|唐卫华团队CEJ: 烷氧基侧链与氯化端基共同影响非稠环受体分子性能】ITIC：1664293-06-4