中科院大連化物所Adv. Energy Mater.：氫鍵輔助的非富勒烯受體分子有序性調控用于高效非退火有機太陽能電池

【引言】

近年來，通過吸收范圍和能級位置調控，非富勒烯受體（NFA）材料的開發取得了巨大進展，將有機太陽能電池（OSC）的發展推向了新篇章。其中，以ITIC及其衍生物為代表的NFA分子具有A-D-A型分子結構——“D”是剛性稠環富電子單元，“A”是拉電子的IC單元，取得了很高的OSC效率，但仍然存在一些缺陷，如相對低的最低未占據分子軌道（LUMO）、較低的電子遷移率和較弱的結晶性。特別是ITIC分子較弱的結晶性不利于活性層共混薄膜的晶區純度和相分離，需要額外的熱退火（TA）以改善分子排列的有序性。為此，人們一直致力于通過調控D單元或對末端IC單元進行官能化來修飾ITIC分子。然而，這些工作主要集中在調節分子的吸收范圍和能級位置以尋求與高效給體高分子更為匹配的受體材料；受體的分子排列行為及有序性并未得到明顯改善，因此基于這些受體的器件仍然需要TA處理。盡管一些取代基被認為提供了較弱的分子間相互作用（例如IT-4F中的F···H）來增加分子堆積，但是進一步增強分子間相互作用從而提高ITIC基受體分子的結晶度仍然吸引了大量的研究興趣且極具挑戰性。由于ITIC類分子主要是通過相鄰分子末端的IC單元形成π-π堆積結構，因而對IC單元的官能化以增強分子間有序排列是提高此類受體結晶度的有效方法。

【成果簡介】

近日，中國科學院大連化學物理研究所郭鑫研究員和李燦院士團隊（共同通訊作者）合成了兩個羥基官能化的NFAs，即帶有一個羥基的IT-OH和帶有兩個羥基的IT-DOH，以調節分子的排列和結晶度。與ITIC相比，IT-OH和IT-DOH具有更有序的分子排列和更高的結晶度，這可以歸因于羥基誘導的分子間氫鍵的形成。這些分子間氫鍵延長了分子共軛平面，并進一步通過π-π相互作用導致了長距離有序結構的形成。通過與具有適當的結晶度和共混性的給體聚合物匹配，基于IT-DOH的非退火OSC可以提供12.5％的效率，并具有良好的器件穩定性。這項工作通過引入羥基來調節分子堆積和結晶度，為NFA的分子設計提供了一種新策略。該成果以題為“H-Bonds-Assisted Molecular Order Manipulation of Nonfullerene Acceptors for Efficient Nonannealed Organic Solar Cells”發表在了Adv. Energy Mater.上。

?【圖文導讀】

圖1 分子間堆積模型的分子結構和示意圖

a）典型的ITIC基受體分子（IC單元上有不同取代基團）。

b-d）ITIC（b），IT-OH（c）和IT-DOH（d）的分子間堆積模型示意圖。

圖2 ITIC、IT-OH、IT-DOH的紫外-可見吸收光譜

ITIC、IT-OH、IT-DOH在a）氯苯溶液（10^-5?M）和b）薄膜中的紫外-可見吸收光譜。

圖3 ITIC、IT-OH和IT-DOH的薄膜性質

ITIC、IT-OH和IT-DOH薄膜的原子力顯微鏡（AFM）高度圖像（5 μm×5 μm，a-c），HRTEM圖像（d-f）和2D GIXD圖像（g-i）。

圖4 ITIC、IT-OH和IT-DOH薄膜的傅立葉變換紅外（FTIR）吸收光譜

圖5?J-V曲線和EQE光譜

a）基于PBDB-T:三種受體的非退火OSCs的J-V曲線和相應的EQE光譜。

b）PM6:IT－DOH的非退火OSCs的J-V曲線和EQE光譜。

圖6?PBDB-T與ITIC、IT-OH和IT-DOH的混合薄膜性質

PBDB-T與ITIC、IT-OH和IT-DOH的混合膜的AFM高度圖像（a-c），相位圖像（d-f）（1 μm×1 μm）和2D GIXD圖像（g-i）。

【小結】

總之，團隊提出了將羥基引入NFA中以實現高效非退火的OSCs。與經典的ITIC相比，所得的帶有單羥基的受體IT-OH和帶有雙羥基的IT-DOH顯示出更有序的分子排列和更高的結晶度，這歸因于分子間氫鍵的形成。與形成雙分子氫鍵的IT-OH相比，IT-DOH可以表現出交替的多分子氫鍵相互作用，這可由FTIR光譜證實，顯示出比IT-OH更好的結晶度。基于IT-DOH的非退火OSCs可獲得12.5％的器件效率，且具有良好的器件穩定性，這歸因于羥基官能化受體的有序分子排列改善了共混膜的結晶行為。團隊的工作為設計更多具有增強的分子排列和結晶度的NFAs提供了獨特的策略，從而無需熱退火的情況下即可實現高性能OSCs。

文獻鏈接：H-Bonds-Assisted Molecular Order Manipulation of Nonfullerene Acceptors for Efficient Nonannealed Organic Solar Cells（Adv. Energy Mater.， 2020，DOI:10.1002/aenm.201903650）

本文由木文韜供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。