侯劍輝團隊Nat Commun.: 效率15.2%，新型非稠環受體又創紀錄！

導語：研究人員基於新的雙噻吩基單元TT-Pi，進一步設計併合成了一種新型非稠環受體分子：A4T-16，並將其應用到OPV器件之中，最終獲得高達15。2%的光電轉換效率（PCE）。侯劍輝團隊Nat Commun。：效率15。2%，新型非稠環受體又創紀錄！

https：//doi。org/10。1038/s41467-021-25394-w

1。前言

有機光伏（OPV）器件具有透過低成本溶液塗層技術製造大面積柔性器件的突出優勢，在過去十年中受到了廣泛關注。得益於各種新型OPV材料的開發，特別是稠環非富勒烯受體（NFAs）如ITIC、Y6的問世，OPV器件的光電轉換效率（PCE）已經突破了19%。如今，儘管基於稠環NFAs的OPV器件在PCE方面取得了巨大進步，但稠環分子的合成成本太高，難以在未來的產業化中大規模使用，因此目前仍迫切需要探索簡單有效分子的新結構設計，以滿足低成本的要求。

近年來，研究人員逐漸把目光聚焦到開發高效能非稠環NFAs上，而主要挑戰在於控制非稠環NFAs的分子幾何結構和堆積模式。從非稠環受體分子設計的角度來看，平面性和剛性對受體的聚集和電荷轉移至關重要。一方面，更平面的分子構型確保了有效的π−π堆積。另一方面，分子剛性的增強可以減少C−C單鍵的旋轉，提高受體的構象穩定性。與平面和剛性稠環單元不同，由兩個或多個小芳香環組成的非稠環單元容易扭曲。因此，在分子幾何控制方面，可以誘導形成非共價分子內相互作用的官能團（如O··S、F··S和N··S），從而可以構建具有更高構象穩定性的平面非稠環單元。然而，為了實現上述分子堆積模式，仍具有一定的挑戰。

圖1：分子設計策略與合成路線

2。簡介

鑑於以上的問題，近日，

中科院化學研究所侯劍輝研究員

課題組提出了一種新型分子設計策略，並且透過該策略獲得了一個新的雙噻吩基單元：TT-Pi。該單元具有良好的平面性、高構象穩定性和大的空間位阻，以形成上述有利的分子堆積模式。基於TT-Pi，研究人員進一步設計併合成了一種新的非稠環受體分子：A4T-16，其光學帶隙為1。45 eV，LUMO能級為-3。96 eV。單晶X射線衍射（XRD）結果表明，A4T-16可以透過端基的π−π相互作用進而形成三維互穿網路，非常有利於電子傳輸。此外，A4T-16的旋塗膜顯示出相對較高的電致發光（EL）效率，這意味著其在本質上具有較低的非輻射能量損失。

圖2：A4T-16的分子堆積模式

研究人員隨後將A4T-16應用到製備OPV器件中，結果顯示，基於PBDB-TF：A4T-16的器件產生高達15。2%的PCE，這是基於非稠環受體器件效率的最高值之一，同時由於A4T-16具有優異的光化學穩定性，因此相應器件在連續光照下也表現出優異的長期穩定性。此外，基於PBDB-TF：A4T-16的OPV器件比相應類似物具有更少的能量無序，並且透過與其它聚合物給體混合時，相關器件的非輻射能量損失可低至0。214 eV，甚至比基於Y6的器件還要小，這些性質也表明A4T-16具有良好的通用性。

圖3：相關器件的光伏效能比較

3。總結

綜上，該工作說明了A4T-16的分子設計方法和優越的光伏效能可作為開發高效、高穩定性和低成本的新型非稠環受體的重要策略。相關研究成果現已發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上，題為“Completely non-fused electron acceptor with 3D-interpenetrated crystalline structure enables efficient and stable organic solar cell”。

本文關鍵詞：有機光伏，非稠環受體，電子傳輸，能量損失，TT-Pi，A4T-16。

4。材料

PBDB-TF：1802013-83-7

Y6：2304444-49-1