日期：
2023-03-03 14:43:35
来源：研之成理收集 编辑：薄志山课题组
论文DOI： 10.1016/j.xcrp.2022.101169 有机太阳能电池（OSCs）作为最有前景的下一代清洁能源之一，凭借其独特的优势，如柔性、重量轻、可大面积印刷等，引起学术界和工业界的广泛关注。基于稠环电子受体（FREAs）的有机太阳能电池可以获得优异的光伏性能，然而稠环电子受体往往需要多步骤合成，同时通常涉及低收率的环闭合反应，导致了较高的成本，这阻碍了它们的大规模商业化。相比较而言，非稠环电子受体（NFREAs）作为一个潜在的替代选择获得了越来越多的关注。本课题组长期致力于开发高性能的非稠环电子受体（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 3356; Nat. Commun., 2019, 10, 3038; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 22714; Chem. Mater.,2018, 30, 4307; Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1901280; Adv. Energy Mater., 2021, 11, 2102591; Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2101742; Chin. J. Chem. 2023, 41, 665; ACS Appl. Mater. Inter., 2021, 13, 39652-39659; ACS Appl. Mater. Inter., 2022, 14, 28807; Chem. Eng. J., 2022, 435, 134987）。与具有梯形稠环核单元的FREAs不同，在分子骨架中包含更多C-C单键的NFREAs可以提供更多的可修饰位置和可变分子构象。然而，NFREAs的发展仍然落后于FREAs，仅仅只有几个NFREAs可以达到15%以上的PCE, 通过合理的分子设计，NFREAs具有巨大的提升潜力。 本文介绍了TT-O-2F、TT-S-2F和TT-Se-2F三种NFREAs的设计，通过几个高效的步骤实现了模块化合成，并对分子结构进行了分析。我们的研究发现，TT-S-2F和TT-Se-2F分子内存在S⋅⋅⋅O和Se⋅⋅⋅O非共价相互作用，因此具有平面分子骨架，而TT-O-2F分子骨架则是扭曲的。此外，TT-S-2F的末端基团重叠面积和激子扩散长度最大，有利于电荷输运，因此在器件中表现出优异的性能。实验结果表明，基于TT-S-2F的器件具有15.29%的光电转换效率(PCE)，远高于TT-O-2F(10.43%)和TT-Se-2F(12.23%)，并且TT-S-2F也是目前基于NFREAs的最高PCE之一。本研究强调了在设计高性能NFREAs时，调控端基堆叠的重要性，这将有助于提高器件的性能。 ▲Scheme 1 . The synthetic route of TT-O-2F, TT-S-2F, and TT-Se-2F.▲Figure 1. UV-vis absorption spectra of TT-O-2F, TT-S-2F, and TT-Se-2F (A and B) UV-vis absorption spectra of TT-O-2F, TT-S-2F, and TT-Se-2F (A) in chloroform solutions and (b) as thin films. (C) Energy-level diagram of the active layer materials.▲Figure 2. Molecular structure and excited-state dynamics.Molecular conformation and single-crystal packing (top) and neat film decay dynamics of the singlet excitons in (A and D) TT-O-2F, (B and E) TT-S-2F, and (C and F) TT-Se-2F. ▲Figure 3. (a) Solar cell device characterization (A) J-V, (B) EQE, (C) J ph -V eff , and (D) J sc -P light curves of devices based on TT-O-2F, TT-S-2F, and TT-Se-2F.▲Figure 4. Crystallinity characterization (A) The corresponding scattering profiles of the neat and blend films. (B) GIWAXS patterns of the neat TT-O-2F, T-S-2F, and TT-Se-2F films and the D18:TT-O-2F, D18:TT-S-2F, and D18:TT-Se-2F blend films. ▲Figure 5. Figure of merit (FOM) values for different acceptors.本研究设计了三种新型非稠环电子受体 (NFREAs)：TT-O-2F、TT-S-2F 和TT-Se-2F，它们的 π 桥单元分别采用呋喃、噻吩和硒吩。这三种 NFREAs 可以通过不超过 5 个高收率步骤进行模块化合成。单晶结构分析表明，TT-S-2F 和TT-Se-2F 分子内的 S···O 和 Se···O 非共价相互作用可以形成平面的分子骨架，而TT-O-2F 则具有扭曲的分子骨架。此外，TT-S-2F 中由噻吩桥单元和末端端基基团形成的 π-π 堆积面积是这三个受体中最大的。这些独特的晶体结构特征有利于改善电荷输运性能。我们的研究结果表明，即使只有一个原子的变化，也会引起显著不同的性质。基于 TT-S-2F 的光伏器件可以实现高达 15.29% 的优良光电转换效率 (PCE)，远高于 TT-O-2F (10.43%) 和 TT-Se-2F (12.23%)。值得注意的是，TT-S-2F 的品质因子远高于 Y6、IT-F 等，表明其具有在未来的实际应用的潜力。我们的工作强调了良好的端基堆叠在设计高性能 NFREAs时的重要性。最新的研究成果已发表于国际期刊《Cell Reports Physical Science》上，题为“Simple non-fused ring electron acceptors with well-controlled terminal group stacking”。 本文 关键词： 有机太阳电池，非稠环电子受体，晶体工程，模块化合成，光伏性能，激子扩散长度https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101169 青岛大学功能染料与应用技术研究院高薪诚聘博士后若干人，课题组网址：https://www.x-mol.com/groups/gnrlyyyjs，课题组致力于光电材料与器件的研究，包括太阳能电池材料、器件物理、钙钛矿太阳能电池、发光二极管和柔性可穿戴器件等。 博士后招聘详情请访问（http://rlzy.qdu.edu.cn/info/1010/1779.htm）。只要你也与我们一样有激情有梦想，请加入我们，我们可以一起相聚在青岛开创未来，有意者请联系： 更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。