唐衛華團隊CEJ: 烷氧基側鏈與氯化端基共同影響非稠環受體分子效能

導語：研究人員設計併合成了三種新型簡單的非稠環電子受體分子：DBT-EH、DBT-BO和DBT-HD，並與聚合物給體PBDB-T共同製備了一系列有機太陽能電池器件，比較了相應的效能，光電轉換效率（PCE）最高達13。57%，填充因子（FF）高達73。39%。

1.前言

有機太陽能電池（OSCs）憑藉其重量輕、成本低、靈活性和可溶液處理等優點近年來受到人們的熱切關注。由於光伏材料的創新，特別是稠環非富勒烯受體（FREAs）的問世，使得OSCs的效率實現了里程碑式的突破。目前，以Y6為代表的A-DA‘D-A型分子已將單結OSCs的光電轉換效率（PCE）提高到18%以上。與此同時，非共價稠環受體（NFREAs）也逐漸成為熱點。從分子設計的角度來看，O··S、O··H和S··N等分子內非共價相互作用可以賦予NFREAs類似於FREAs的平面梯形結構，從而促進分子間π-π堆積以獲得高電子遷移率。此外，NFREAs具有結構多樣性和合成簡單的特點，可以用於探索具有低成本效益的受體材料。

事實上，圍繞核心、端基和側鏈的分子工程已被廣泛應用於分子最佳化，而端基鹵化（通常為氟化或氯化）無疑是最成功的策略之一。相比於氟化，氯化在調節光學和電學特性方面更為有效，這使得分子具有較低的能級和吸收紅移，從而可以提高其器件中的開路電壓（VOC）和短路電流（JSC）。此外，原子尺寸較大的氯原子增強了π電子的重疊，改善了分子內電荷轉移（ICT）和晶體性質。然而，高效能氯化的NFREAs體系目前還鮮有報道。

圖1：相關分子結構與PCE比較

2.簡介

基於上述的因素，近日，

南京理工大學唐衛華教授

研究團隊利用DBT單元作為中心核，並以IC-2Cl作為端基設計了三種新型不對稱NFREAs：DBT-EH、DBT-BO和DBT-HD。這三種分子分別以2-乙基己基（EH）、2-丁基辛基（BO）和2-己基癸基（HD）為烷氧基側鏈，最終揭示了中心側鏈對氯化NFREAs的光電和光伏效能的影響。研究結果顯示，這三種新型受體分子在550-850 nm處表現出幾乎相同的能級和強吸收，光學帶隙低於1。40 eV。

圖2：相關器件的光伏效能

研究人員將三種NFREAs應用於製備高效能OSCs器件之中，當與聚合物給體PBDB-T共混時，基於DBT-HD的共混膜顯示出纖維狀互穿網路奈米結構，可以實現有效的電荷傳輸，最佳PCE高達13。57%，其中VOC為0。85 V，JSC為21。75 mA cm-2，填充因子（FF）為73。39%，明顯優於基於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，而且該器件的能量損失低至0。53 eV。據悉，13。57%的PCE和73。39%的FF是文獻中基於NFREAs的二元OSCs的最高值之一。這些結果也表明，端基氯化和中心側鏈的分子工程在探索具有低成本效益NFREAs方面潛力無限。

圖3：相關器件的形貌表徵

3.總結

綜上，該工作不僅合成了高效能、低成本的NFREAs，同時也為相關的分子設計提供了新的策略，相關研究成果現已發表在《Chemical Engineering Journal》上，題為“Chlorinated unfused acceptor enabling 13。57% efficiency and 73。39% fill factor organic solar cells via fine-tuning alkoxyl chains on benzene core”。

本文關鍵詞：有機太陽能電池，非稠環受體，分子堆積，電荷傳輸，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

ITIC：1664293-06-4