南開陳永勝Adv. Energy Mater. : 供/受體能級匹配的新型蒽基非富勒烯受體助力高效有機太陽能電池

【引言】

迄今為止，大部分小分子供體和受體材料具有受體-供體-受體(A-D-A)結構。對于ADA結構分子，中心“D”單元不僅作為富電子基團誘導分子內電荷轉移，而且在為電荷分離和輸送實現合適的能級和分子堆積以及為溶液加工性提供足夠的溶解度方面也起著關鍵作用。通常，擴展融合環供體核心在非富勒烯小分子受體(NF-SMA)中的π共軛將改善其給電子能力和分子內電荷轉移效應以獲得更窄的帶隙，并增強分子間相互作用以增強分子堆積，獲得更高的電荷遷移率。另一方面，精確調節末端受體“A”單元是調節分子能級，增加分子間π-π相互作用和改善電子遷移率的另一種有效方式。 此外，在NF-SMA上具有不同吸電子能力的端基交替可導致不同的能級，因此可用于與不同的供體材料更好地匹配。因此，通過精細的分子設計進行精細修飾和供體核心和端基的適當組合非常重要。

【成果簡介】

近日，南開大學陳永勝教授(通訊作者)等設計并合成了兩種基于七環蒽(環戊二噻吩)(AT)核和不同吸電子端基的新型NF-SMAs——AT-NC和AT-4Cl，并在Adv. Energy Mater.上發表了題為“New Anthracene-Fused Nonfullerene Acceptors for High-Efficiency Organic Solar Cells: Energy Level Modulations Enabling Match of Donor and Acceptor”的研究論文。雖然兩種新的受體分子具有不同端基，但萘基稠合的茚酮(NINCN)和氯化的INCN(INCN-2Cl)具有類似的光吸收。由于氯原子的強吸電子能力，以氯化INCN作為端基的AT-4Cl顯著移動。因此，當以聚合物PBDB-T作為AT-NC受體的電子供體時，可實現預期的Voc和光伏性能，并選擇具有降低能級的氟化類似物PBDB-TF與AT-4Cl共混。因此，PBDBTF:AT-4Cl基器件的功率轉換效率為13.27%，V_oc略低于0.901 V，19.52 mA·cm^-2的J_sc和75.5 %的填充因子相對于PBDB-T:AT-NC的值顯著增強。上述結果表明，使用新型富電子AT核心以及端基優化實現能級調節，進而能夠與聚合物供體匹配，是構建高性能NF-SMA的成功策略。

【圖文簡介】
圖1 AT-NC和AT-4Cl的合成路線

AT-NC和AT-4Cl的合成路線示意圖。

圖2 供/受體的紫外-可見吸收光譜

a) AT-NC和AT-4Cl在氯仿溶液中的紫外-可見吸收光譜；
b) AT-NC、AT-4C、PBDB-T和PBDB-TF薄膜的紫外-可見吸收光譜。

圖3 供/受體的化學結構以及能級圖

AT-NC、AT-4Cl、PBDB-T和PBDB-TF的化學結構以及能級圖。

圖4 相應器件的光伏性能

a) 在AM 1.5G(100 mW·cm^-2)照射下，優化條件下AT-NC和AT-4Cl基器件的電流密度-電壓(J-V)曲線，內插為30個器件的PCE計數直方圖；
b) AT-NC和AT-4Cl基OPV器件的EQE曲線和J_sc；
c) J_ph隨V_eff的變化；
d) 優化器件的J_sc隨光強度(P)的變化；
e) PBDB-T:AT-NC和PBDB-TF:AT-4Cl基器件的瞬態光電流；
f) PBDB-T:AT-NC和PBDB-TF:AT-4Cl基器件的瞬態光電壓。

圖5 GIWAXS測試

a) AT-NC原始膜的2D GIWAXS圖像；
b) PBDB-T:AT-NC共混膜的2D GIWAXS圖像；
c) PBDB-T原始膜的2D GIWAXS圖像；
d) AT-4Cl原始膜的2D GIWAXS圖像；
e) PBDB-TF:AT-4Cl共混膜的2D GIWAXS圖像；
f) PBDB-TF原始膜的2D GIWAXS圖像；
g) 原始膜和共混膜的面外和面內GIWAXS曲線。

圖6 共混膜的形貌

a) AT-NC純膜的AFM圖像；
b,c) PBDB-T:AT-NC膜的AFM和TEM圖像；
d) AT-4Cl純膜的AFM圖像；
e,f) PBDB-TF:AT-4Cl膜的AFM和TEM圖像。

【小結】

綜上所述，作者通過開發新型AT富電子核并分別引入兩個不同的吸電子端基NINCN和INCN-2Cl，設計并合成了兩種新的NF-SMA——AT-NC和AT-4Cl。盡管相對于AT-NC具有相似的吸收光譜，AT-4Cl表現出顯著下移的能級。因此，選擇兩種不同的供體PBDB-T和PBDB-TF以獲得更好的能級匹配和更高的V_oc。與PBDB-T:AT-NC相比，具有降低的分子能級的PBDB-TF:AT-4Cl共混膜顯示出適當的相分離，具有有利的分子堆積和混溶性，并且具有增強的吸收系數。因此，PBDB-T:AT-NC基器件PCE為10.91 %，V_oc為0.919 V。PBDB-TF:AT-4Cl基器件PCE為13.27%，V_oc為0.901 V，Jsc為19.52 mA·cm^-2，FF為75.5%。上述結果表明，利用新的富電子AT核心以及端基優化實現能級調節，進而能夠與聚合物供體匹配，是構建高性能NF-SMA的有前途和成功的策略。

文獻鏈接：New Anthracene-Fused Nonfullerene Acceptors for High-Efficiency Organic Solar Cells: Energy Level Modulations Enabling Match of Donor and Acceptor (Adv. Energy Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201803541)

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