西安交通大学&香港理工大学Nano-Micro Lett.：受体烷基链工程驱动非卤溶剂刮涂制备~19％效率OSCs

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前言回顾

有机太阳能电池（OSCs）具有低成本以及潜在可大面积印刷加工的优势，备受关注。近年来，非富勒烯小分子受体（SMAs）的重大突破，特别是具有供体-受体-供体（DAD）核的Y系列SMAs (Y-SMAs)，OSCs的光电转换效率（ PCE ）已经超过19 %。然而，这些高PCE器件通常采用低沸点含卤溶剂（如氯仿）旋涂制备获得，会造成环境污染，限制了OSCs大面积应用。此外，采用高沸点非卤溶剂进行刮涂或其他大规模印刷工艺制备OSCs，PCE通常会显著下降。其中，采用非卤溶剂制备OSCs导致PCE下降的主要原因之一是光伏材料在此类溶剂中溶解度降低。为解决以上关键科学难点，研究者们通常在Y-SMAs上引入长烷基链以增强溶解度。然而，提高溶解度的同时，长烷基链通常会破坏分子主链堆积，破坏有序组装并降低电荷传输性能。因此，尽管在Y-SMAs烷基链修饰和优化成膜过程方面做出了诸多探索，但利用非卤溶剂和刮涂工艺制备高效OSCs仍是面临诸多困难。

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文献简介

西安交通大学凡群平教授和马伟教授以及香港理工大学李刚教授和马睿杰博士等人设计了N-烷基修饰的硒吩稠合DAD核结合萘稠合端基的系列Y-SMAs (命名为YR-SeNF, 包括YBO-SeNF、YHD-SeNF和 YDT-SeNF）。研究表明，引入硒吩稠合核心与萘稠合端基可有效增强材料分子间相互作用和近红外(NIR)吸收，提高器件短路电流密度（JSC）；萘稠合端基可抬升材料LUMO能级，提高器件开路电压（VOC）；不同尺寸N-烷基修饰可有效调控材料本征溶解度、结晶性以及三元共混薄膜垂直相分离、分子堆积等。

图1. (a) YR-SeNF的分子结构和设计策略；(b) L8-BO的分子结构； (c) PM6的分子结构；(d) L8-BO和YR-SeNF的GIWAXS一维曲线；(e) PM6、L8-BO和YR-SeNF的吸收光谱; (f) PM6、L8-BO和YR-SeNF的能级；

因此，在PM6:L8-BO二元主体系中引入N-烷基修饰的YR-SeNF，可高效调控由邻二甲苯作为高沸点非卤加工溶剂与刮涂加工的活性层形貌，进而促进OSCs电荷转移动力学和器件稳定性。最终成功实现非卤溶剂刮涂加工的高性能OSCs，获得近19%的记录效率。值得注意的是，由于客体YHD-SeNF和主体L8-BO之间的出色兼容性，三元OSCs在最大功率点（MPP）运行超过400小时后依然保持>80%的初始PCE。 该工作发展了系列基于硒吩稠合中心核与萘稠合端基的高性能小分子受体YR-SeNF，并将其成功应用于非卤溶剂和刮涂工艺制备的高效、稳定OSCs中，为将来OSCs的工业化制备提供了新思路。

图2. (a) 刮涂OSCs的器件结构；(b, c, d) OSCs的J-V曲线；(e) YR-SeNF二元和三元OSCs的PCE柱状图；(f, g, h) OSCs的EQE光谱；(i) 非卤溶剂和(j)非旋涂加工OSCs的PCE与JSC统计图; (k) OSCs稳定性研究；

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文献总结

总之，该工作开发了一类YR-SeNF新受体，它们具有相似的近红外吸收、不同的结晶度和堆积方式。结果表明，在PM6:L8-BO二元体系中引入YR-SeNF制备OSCs，能够实现~19％的PCE和优异的器件稳定性，这也是非卤溶剂与非旋涂工艺制备器件的最高效率值之一。相关研究成果近期发表在国际著名期刊《Nano-Micro Letters》上，题为“GreenSolvent Processed BladeCoating Organic Solar Cells with an Efciency Approaching 19% Enabled by AlkylTailored Acceptors”。

本文关键词：有机太阳能电池；硒吩稠合受体；刮涂与绿色溶剂加工；稳定性；

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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