东华大学陈义旺/胡华伟课题组Angew：通过侧链氟功能化控制分子间相互作用实现19%有机太阳能电池

有机太阳能电池（OSCs）由于其成本低、重量轻、透明且能够使用溶液制备大面积器件而获得了广泛的研究关注。得益于非富勒烯受体（NFA）和与之匹配的聚合物供体的发展，OSCs的能量转换效率（PCE）已被提高到19%。然而，OSC 仍然落后于无机和钙钛矿同类产品，需要进一步探索和创制新的 NFA，以优化其电子结构特性和聚集特征，从而实现器件性能的突破。

氟功能化有机半导体的分子主链或侧链已被证明在调整OSC材料的能级、分子堆积、表面能以及活性层形貌等方面非常有效。例如，前期研究表明，在Y系列NFA的末端基团中引入三氟甲基基团可以实现超窄带隙和3D互穿的分子堆积网络。近期的研究中，氟代烷基链已成功引入到Y系列NFAs的吡咯单元中，从而降低表面能，有效地调控垂直相分布，进而提升器件效率。然而，目前尚未探索将氟代侧链引入Y系列NFAs外部侧链的可能性。此外，操控含氟烷基受体的分子堆积和相分离仍然是一个挑战，因为过多的氟化可能导致不理想的形貌并损害器件性能。因此，研究Y系列NFAs的侧链氟功能化的结构-性能关系对于精确控制氟代链、最终实现高性能OSC至关重要。

基于此，东华大学陈义旺教授、胡华伟研究员以及香港理工大学马睿杰博士等展开了合作，他们通过精确合成具有不同程度氟功能化外端侧链的NFA，构建了名为BTP-F0和BTP-F5的两个受体材料。通过理论和实验研究，研究人员发现侧链氟化显著提高了整体平均静电势（ESP）和电荷平衡因子，从而有效改善了ESP引起的分子间静电相互作用，进而精确调节分子堆积和活性层形貌。因此，基于BTP-F5的有机太阳能电池表现出增强的结晶度以及相区纯度，同时减小了相区尺寸和优化了器件在垂直方向上的材料的相分布。这进一步促进了激子的扩散，抑制了电荷复合并改善了电荷的提取效率。最终，基于BTP-F5的二元和三元OSC器件分别实现了17.3%和19.2%的能量转换效率。这项研究工作表明，对Y系列非富勒烯受体外侧链进行精准氟官能化是实现高效有机太阳能电池理想相分离、提高器件效率的有效策略。

图1. (a) PM1、BTP-F0 和 BTP-F5 的化学结构。(b) BTP-F0和BTP-F5的优化分子几何结构和静电势图。(c) 氯仿溶液中的吸收光谱。(d)薄膜的归一化吸收光谱。e) 材料的能级图

图2. (a) J-V) 曲线. (b) 器件PCE分布。(c) EQE谱图和积分J_SC。(d) J_ph-V_eff 关系图。(e) J_SC与光强度关系图；(f) V_OC与光强度关系图；(g)TPC曲线。(h)TPV衰减曲线。(i)电荷迁移率。

图3. 不同器件的瞬态吸收光谱

图4. 不同薄膜的GIWAXS维衍射图样以及 R-SoXS 曲线

图5. (a) 共混薄膜的薄膜深度依赖性光吸收光谱。(b) 模拟激子产生示意图。(c) 不同薄膜深度对应激子产生速率。(d) 氟功能化对相分布和激子产生的影响机制示意图。

总结

作者合成了两种不同程度氟化侧链的不对称NFA，并对氟功能化对其电子结构特性、分子堆积以及相关器件性能的影响进行了系统研究。研究结果表明，精确控制侧链氟化能够增强由ESP诱导的供体/受体分子间静电相互作用，从而改善分子堆积和活性层形貌。在此基础上，基于BTP-F5的二元器件的效率提高到了17.3%，而基于BTP-F0的器件的PCE为16.1%。此外，基于PM1:BTP-PC6:BTP-F5的三元有机太阳能电池实现了19.2%的PCE。这项研究工作表明，通过对Y系列NFA外侧链进行适度氟官能化来调整ESP诱导的分子间静电相互作用，是实现最佳共混物形态的有效策略。这种调整有助于在追求高效有机太阳能电池时实现更高的J_SC和FF。

总之，通过精确控制NFA侧链氟化可以有效地调控器件相区纯度、多尺度形貌以及获得更有利的垂直相分布，有助于实现优异的光电转化性能。相关工作以发表在Angewandte Chemie International Edition。东华大学胡华伟研究员、陈义旺教授以及香港理工大学马睿杰博士为论文通讯作者。该研究工作致谢国家自然科学基金和中央高校基金的支持，以及上海光源BL16B1 线站的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Over 19 % Efficiency Organic Solar Cells Enabled by Manipulating the Intermolecular Interactions through Side Chain Fluorine Functionalization

Huawei Hu, Shuai Liu, Jiaoyu Xu, Ruijie Ma, Zhengxing Peng, Top Archie Dela Peña, Yongjie Cui, Wenting Liang, Xiaoli Zhou, Siwei Luo, Han Yu, Mingjie Li, Jiaying Wu, Shangshang Chen, Gang Li, Yiwang Chen

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202400086

导师介绍

陈义旺/胡华伟课题组

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