Chem. Eng. J.:高性能低能量损耗的非稠环有机太阳能电池

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前言

自非富勒烯电子受体（NFAs）出现以来，单结有机太阳能电池（OSCs）的光电转换效率（PCE）已经突破了17%。到目前为止，相对成功的NFAs仍是A-D-A型分子，其通常由大体积稠环中心核（D单元）和吸电子端基（A单元）构成。事实上，这些稠环电子受体（FREAs）在促进分子堆积和取向方面显示出独特的优势，同时由于其分子骨架可设计性因而可以很好地调节分子能级、吸收和电子传输。然而，常见FREAs如ITIC，Y6等合成步骤繁琐，从而导致较低的产率和昂贵的成本，这并不利于OSCs的产业化发展。

相比之下，非稠环电子受体（NFREAs）合成简单，结构多样，最近受到越来越多的关注。通过合理的分子设计，目前已经报道了一些具有优异性能的NFREAs，相关OSCs的PCE超过了13%。然而，较高的能量损耗（E_loss＞0.55 ev）无疑阻碍了PCE的进一步提高。此外，许多研究聚焦于如何改变非稠环核结构或者端基卤化的类型，非稠环核的范围从给电子基团（苯基、烷氧基苯基、噻吩等）拓展到缺电子基团（苯并噻二唑、氟苯并噻二唑等），而端基则通常由F、Cl、Br等卤化。然而，侧链对NFREAs的影响，特别是对于环戊二噻吩（CPDT）桥还未有相关研究。柔性侧链不仅赋予NFREAs良好的溶解性，而且可以控制分子的堆积和取向，因此迫切需要对CPDT的侧链进行探究以了解其对分子组装、光电参数以及最终器件性能的影响。

图1:相关分子结构与光电性质

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简介

基于以上的考虑，近日，南方科技大学Aung Ko Ko Kyaw副教授研究团队首次设计合成了两个简单的新型NFREAs：BDC-4F-C6和BDC-4F-C8。二者均由非稠环结构的BDD单元和CPDT桥相互连接，同时DFIC作为端基，只需要简单的步骤即可合成。BDD的弱吸电子特性有利于保持相对较低的LUMO能级，同时缩小光学带隙。因此，当与合适的聚合物给体配对时可以获得高开路电压（V_OC）。此外，DFIC单元增强了分子的光电性能和分子间的堆积。BDC-4F-C6和BDC-4F-C8的唯一区别在CPDT单元的烷基侧链不同，从而导致最终的光电性质和器件性能不同。同时，这两个受体分子在可见光到近红外光段（BDC-4F-C6和BDC-4F-C8的光学带隙分别为1.40和1.41 eV）和不同能级范围内均表现出宽的吸收。

图2:相关OSCs器件的光伏参数

研究人员进一步将BDC-4F-C6和BDC-4F-C8应用于高效OSCs器件之中。结果表明，基于PM6:BDC-4F-C8的器件获得了高达12.53%的PCE，同时V_OC为0.895 V，高于基于PBDB-T:BDC-4F-C8的器件（PCE为11.25%，V_OC为0.785 V）。值得注意的是，该器件的E_loss为0.51 eV，是目前基于NFREAs的高效OSCs（PCE>12%）中的最低值。然而，PBDB-T:BDC-4F-C6的PCE相对较低，仅为6.58%。此外，基于PBDB-T:BDC-4F-C8的器件和基于PBDB-T:BDC-4F-C6的器件相比，前者表现出更低的电荷复合和更高的电荷迁移率，以及更有利的π-π堆积和形貌。这些结果说明，通过合理的分子设计可以实现具有高PCE和低E_loss的NFREAs。

图3:相关器件的光伏性能比较

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总结

综上，该工作不仅合成了两种高性能的NFREAs，而且证明了微调烷基侧链在高性能OSCs方面具有的广阔前景。相关研究成果现已发表在《Chemical Engineering Journal》上，题为“High-Performance and Low-Energy Loss Organic Solar Cells with Non-fused Ring Acceptor by Alkyl Chain Engineering”。

本文关键词：有机太阳能电池，OSC，非富勒烯受体，NFA，非稠环受体，低能量损耗，BDC-4F-C6，BDC-4F-C8。

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文中所涉及材料

PM6 1802013-83-7	PBDB-T 1415929-80-4
PDINO 1558023-86-1	IC2F 2083617-82-5

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https:///10.1016/j.cej.2021.129768