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ACS AMI┃具非稠合骨架的近红外非富勒烯电子受体的设计及其在有机光伏中的应用

材料

作者：X-MOL 2020-04-01

英文原题：Near-Infrared Electron Acceptors with Unfused Architecture for Efficient Organic Solar Cells

通讯作者：李昌治，浙江大学；陈红征，浙江大学

作者：Chengliang He, Yaokai Li, Shuixing Li, Zhi-Peng Yu, Yuhao Li, Xinhui Lu, Minmin Shi, Chang-Zhi Li, and Hongzheng Chen

有机太阳电池因其质轻、柔性、可溶液加工等特点而成为研究热点，其基本结构为透明导电电极/光活性层/金属电极组成的“三明治式”结构，其中光活性层多为电子给体和电子受体共混而成的本体异质结。近年来，有机太阳电池的能量转换效率因非富勒烯电子受体的不断革新而不断突破。目前多数高效受体分子的吸光范围一般拓展至近红外区域，而这类分子多采用富电子的共轭稠环骨架，使得窄化带隙的同时难以保持较深的HOMO能级，阻碍了其与深HOMO能级给体匹配从而取得较高开路电压的实现。此外，较大的共轭稠环结构其合成难度也较高。于此，开发新的近红外受体分子设计策略，实现光电性质的调控和合成难度的降低，是十分必要的。

针对上述问题，浙江大学高分子科学与工程学系陈红征教授（点击查看介绍）课题组提出了基于非稠合骨架的电子受体设计新策略 (Adv. Mater., 2018, 30, 1705208; Nat. Commun., 2019, 10, 2152)，旨在利用分子内非共价键作用替代化学键成环，降低合成复杂度的同时，赋予受体分子结构与光电性能易于调控的特点。为构筑近红外受体分子，如图1所示，该团队采用具吸电子特性的苯并噻二唑作为核心，通过环戊双噻吩单元与卤代茚酮末端桥联，合成了受体分子BCDT-4X (X = F, Cl)。其合成步骤较为简捷且产率较高，同时能维持分子相对较深的HOMO能级，从而可与聚合物给体PBDB-T进行匹配制备光伏器件。

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图1. 受体分子BCDT-4X的合成路线

BCDT-4F与BCDT-4Cl具有相似的吸光范围 (600-900 nm) 与能级，但其光伏性能却表现出较大差异 (图2)。以PBDB-T为给体，基于BCDT-4Cl制备的有机太阳电池，其能量转换效率可达12.10%，而对于BCDT-4F，仅为9.65%。短路电流数值的较大差异是效率不同的主要原因。

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图2. a. 受体分子CV测试曲线；b. 受体分子UV-vis吸收光谱；c. 基于PBDB-T:BCDT-4X有机太阳电池的J-V曲线；d. 基于PBDB-T:BCDT-4X有机太阳电池的EQE曲线。

通过对器件性能与活性层形貌的表征发现，基于BCDT-4Cl的活性层，具有更为平衡的电子/空穴迁移率比、更合适的相分离尺寸与更有效的分子间π-π堆积 (图3)，从而形成更为高效的电荷传输，取得更大的短路电流，实现了更高的能量转换效率。

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图3. 活性层薄膜形貌GIWAXS测试

这一工作从分子结构设计入手，通过给/吸电子单元的准确调控与组合构筑近红外受体分子，实现了受体分子光电性能的调控与合成难度的降低。该研究在国家自然科学基金项目资助下开展完成，相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上。博士生何程亮和博士生李耀凯为论文的共同第一作者，工作得到香港中文大学路新慧教授在薄膜形貌测试方面的支持，浙江大学高分子科学与工程学系李昌治研究员和陈红征教授为通讯作者。