烷基侧链异构化调控非富勒烯受体结晶性及光伏性能

本体异质结有机太阳能电池（BHJ-OSCs）以其制备工艺简单、能量转换效率高等优点得到科研人员的广泛关注。活性层内部的光生激子生成与迁移、激子解离、电荷传输与复合等关键物理过程均依托于BHJ的纳米微结构进行，因此活性层的微观形貌极大地影响OSCs的最终效率。理想的BHJ除了需要优势的face-on分子堆积外，还需要给受体材料能够形成相分离尺度适中（10-30 nm）的纳米互穿网络。相分离尺度太小，激子分离效率降低；相分离尺度过大，则会增加激子解离后/电荷传输过程中的复合概率及重组损失，最终导致器件光伏性能的降低。因此，合理调节给受体材料的结晶性与自聚集态对于获得良好的BHJ薄膜、提高有机太阳能电池的效率至关重要。

非富勒烯小分子受体自2015年报道以来，迅速推动了OSCs的发展以及光伏效率的不断突破。小分子受体由于具有平面的刚性主骨架，因此材料的结晶性一般较强，尤其是具有规整的烷基链修饰的受体，材料结晶性与自聚集性得到进一步增强。较好的结晶性有利于促进分子间的高度有序排列，提高电荷迁移率。然而，过强的自聚性可能会导致与给受体材料之间的分子间相互作用力较弱，诱导BHJ产生大尺寸的两相分离。因此，合理调节受体的结晶性对于构建理想的BHJ有重要的作用。

在之前的工作中，中科院青岛能源所团队提出了一条新的思路（Adv. Mater., 2019, 31, 1807832）来调控受体材料的结晶性以及BHJ的共混性：在规整的烷基侧链（-C₄H₈-）末端引入大位阻苯基（Ph），对分子排列进行适度扰动。相比于经典的烷基侧链受体IDIC，IDIC-C4Ph结晶性得到适度削弱，增强了给受体之间的相互作用力，诱导产生更为精细的BHJ纳米微结构，极大地提高了填充因子（FF>78%）和光伏效率（PCE：14.04%）。而在近期的工作中，他们进一步细化共轭骨架与苯基末端之间的烷基碳数（IDIC-CxPh, x=4, 5, 6），发现了一种独特的双通道电荷传输（TCCT）模型，传统器件结构的FF突破80%，并且在~500 nm厚膜器件中具有良好的应用（PCE>13%），工作接收发表在Cell Press旗下的The Innovation（2021, 2, 100090）期刊。

基于前面这些研究基础以及烷基侧链末端空间效应的统筹考虑下，近日中科院青岛能源所包西昌团队进一步提出了支化烷基侧链末端的思路，将线性正己烷基侧链链（n-C₆H₁₃）异构化为支链的2-甲基己基得到了新的小分子受体iso-IDIC (见图1)，支链化的烷基侧链末端产生一定的空间位阻，在几乎不改变轨道能级和吸收光谱的前提下，微弱地降低了材料的结晶度和自聚集行为。与IDIC相比，iso-IDIC与给体材料具有更好的共混性，在as-cast器件中表现了良好的形貌特征，光电流和器件效率都有很大的提升。此外，iso-IDIC合适的结晶度还为进一步优化BHJ的纳米形貌提供了可能，与IDIC器件预处理/后处理性能（PCE<12%）均降低不同的是，基于iso-IDIC的器件性能在预处理/后处理后均有所提高，热退火后的器件PCE最高达到13.53%。因此，适中的受体材料结晶性不仅诱导产生了更为精细的BHJ本征形貌，还对预处理/后处理提供了良好的耐受性，为进一步优化光伏性能提供了可能。异构化策略通过精细的侧链设计以及结晶性调控，为设计高性能光伏材料提供了一种新的可行思路。

图1. 烷基侧链异构化调控分子堆积

异构化烷基侧链的工作最新接收发表在Mater. Chem. Front. 期刊上，论文第一作者为韩晨雨同学，共同一作为姜焕祥同学，论文通讯作者包括包西昌研究员、李永海副研究员以及青岛大学的沈文飞博士。该工作得到了国家自然科学基金委，中科院青促会以及大连化物所-青岛能源所两所融合项目资助。

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An Isomerized Alkyl Side Chain Enables Efficient Nonfullerene Organic Photovoltaics with Good Tolerance to Pre/Post-Treatments

Chenyu Han,‡ Huanxiang Jiang,‡ Pengchao Wang, Lu Yu, Jianxiao Wang, Jianhua Han, Wenfei Shen,* Nan Zheng, Shuguang Wen, Yonghai Li*, Xichang Bao*

Mater. Chem. Front., 2021, DOI: 10.1039/D0QM01037E