on style="white-space: normal; line-height: 1.75em; box-sizing: border-box;">论文DOI：10.1002/adfm.202102189王涛课题组以IDTT为核心单元，选择三个不同的端基MIC、ClIC 和 2FIC来设计并合成了对称ITCC-M、不对称ITCC-M-2F、卤化ITCC-Cl，以及不对称卤化IDTT-Cl-2F非富勒烯电子受体(NFA)，并将此类材料与两种典型供体PBDB-T-2F和 PBDB-T-2Cl共混，制备出高效的非富勒烯有机太阳能电池。通过对材料以及器件的光电性能、形貌表征以及计算模拟证明了非富勒烯受体分子端基的不对称及卤化可以拓宽光吸收范围，增强分子间堆积，提高电子迁移率，从而提高器件性能。这项工作为设计并制备新型电子受体以实现更高的器件性能提供了指导。过去几年，有机太阳能电池(OSC)快速发展，其最高功率转换效率(PCE)已接近19%。如此快速的进步主要得益于新材料的开发、以及器件结构和活性层微纳形貌的不断优化。其中，新{attr}2235{/attr}的分子设计发挥着重要作用。众所周知，化学结构的变化，包括中心核、侧链和端基的细微差异，都可能会导致光电器件性能发生显著变化。通过NFA末端基团的卤化来调控材料能级并最终制备高效率器件已被证实是一种极其有效的设计策略。通过卤素端基的调控而获得不对称的非富勒烯稠环电子受体，对调控有机太阳能电池的光伏性能意义重大。通过一系列光电性能、形貌表征以及模拟计算，作者从理论和实验上研究了不对称化、卤化以及两者协同作用对NFA材料以及器件性能的影响。相比ITCC-M，卤化和不对称的IDTT-Cl-2F拓宽了吸收范围，增强了分子堆积，改善了电子迁移率，最终提高了器件性能,为电子受体材料的分子设计提供了一种新思路。课题组设计并合成了ITCC-M, ITCC-Cl, IDTT-M-2F and IDTT-Cl-2F。（Figure 1）▲Figure 1. Molecular structures of PBDB-T-2F, PBDB-T-2Cl, ITCC-M, ITCC-Cl,IDTT-M-2F and IDTT-Cl-2F.
通过对这四种分子的UV-Vis测试，作者发现，不对称及卤化后的IDTT-Cl-2F吸收具有更明显的红移，这表明IDTT-Cl-2F具有较低的带隙，同时也说明不对称化以及卤化对分子能级的调控具有显著作用，这一点他们通过CV的测试结果进一步证实。（Figure 2）▲Figure 2. (a) Molar absorption coefficient spectra of PBDB-T-2F, PBDB-T-2Cl, ITCC-M, IDTT-M-2F, ITCC-Cl and IDTT-Cl-2F in chloroform solution. (b) Normalized absorption of pure PBDB-T-2F, PBDB-T-2Cl, ITCC-M, IDTT-M-2F, ITCC-Cl and IDTT-Cl-2F films. (c) CV curves of ITCC-M, IDTT-M-2F, ITCC-Cl,IDTT-Cl-2F.
为了研究分子结构对器件性能的影响，他们制备了结构为ITO/ZnO/PM7(PM6):NFAs/MoO3/Ag的非富勒烯有机太阳能电池器件，相比于ITCC-M（PCE 9.0%），不对称及卤化的IDTT-Cl-2F基于的器件,效率可达13.3%。通过器件物理研究，作者发现基于不对称及卤化分子的器件表现出更好的激子解离与收集过程，以及较弱的分子复合，因而获得较高的电流，最终提升了器件新能。▲Figure 3. (a) Absorption, (b) Current density–voltage (J–V) curves, (c) corresponding EQE spectra, (d) Jph versus Veff curves and, (e) light intensity dependence of Jsc, (f) light intensity dependence of Voc of PBDB-T-2Cl:ITCC-M, IDTT-M-2F, ITCC-Cl and IDTT-Cl-2F blend films.
为了探明这些NFA分子的聚集行为，作者通过模拟计算研究了这四种分子结构的特征以及聚集方式，通过对扭转角的分析，证实了具有不对称结构的 NFA 具有更好的平面性。其次，通过对分子堆积方式的研究，他们发现不对称 IDTT-M-2F 和 IDTT-Cl-2F中的J聚集体的p-p堆积距离变得更近，这意味着分子的不对称化可以促进堆积，尤其是IDTT-Cl-2F，由于其拥有更好的平面性，因而距离最短，这种紧密的分子堆积促进了分子结构的有序性，最终提高了电子迁移率。▲Figure 4. Optimized 3D geometries of (a) ITCC-M, (b) IDTT-M-2F, (c) ITCC-Cl, and (d) IDTT-Cl-2F. Different forms of J-aggregates formed in (e) ITCC-M, (f) IDTT-M-2F, (g) ITCC-Cl, and (h) IDTT-Cl-2F molecules, along with the stacking distances revealed by molecular dynamics simulations.
通过不对称分子结构和卤化功能基团的设计，获得了高效的非富勒烯稠环电子受体材料，从而显著提高器件性能。作者将光电测试，形貌表征以及计算模拟等数据相结合，深入探究了器件性能提升的原理，为受体材料的分子设计提供了新的思路。王涛，武汉理工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，湖北省特聘专家，国家级青年人才，英国皇家化学会会士，长期致力于新型有机/钙钛矿太阳能转换材料与器件领域的研究，已在《焦耳》，《先进材料》等高水平国际刊物发表SCI论文120余篇。http://www.taowanggroup.comhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202102189
