深圳大学杨楚罗教授和罗正辉副教授团队EES：非对称侧链取代构筑氢键辅助的3D网络受体助力高效有机光伏

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前言回顾

对小分子受体（SMAs）进行侧链修饰是实现有机太阳能电池（OSCs）高器件效率的有效方法，其中非对称侧链策略是一种很有前途的策略。具有对称烷基链的 SMAs的单晶结构早已被证明有助于深入了解相应分子的内在特性，例如分子堆积、电子耦合和电荷传输特性，这反过来又有助于未来高性能 SMAs的发展。然而，迄今为止，还没有研究工作专注于结合详细的单晶数据和密度泛函理论 (DFT) 计算来探索含有非对称侧链的 SMAs 对分子堆积、电子耦合、晶体堆积和电池效率的影响，这主要是因为强无序非对称侧链使得其难以获得高质量的单晶。因此，利用单晶结构在原子水平上研究具有非对称侧链的 SMAs 的分子内和分子间作用力，并将单晶的基本信息与纯受体膜和共混膜的形态以及器件性能相关联是非常重要的。

图1. 三种受体的分子结构和单晶结构

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文献简介

鉴于此，深圳大学罗正辉等人首次通过关注本体分子 Y6 和 BTP-PhC6 以及相应的非对称分子 BTP-PhC6-C11（最初在这里合成）来填补这一空白。这三种受体具有相似的光学和电化学特性。晶体学分析和理论计算结果表明，由于氢键的相互影响和较小空间位阻的协同作用，非对称的BTP-PhC6-C11相比于对称的 Y6 和 BTP-PhC6在两个末端受体单元之间表现出更强的π∙∙∙π相互作用，3D电荷传输网络中的电子耦合更大，以及具有可比性的内部重组能。

图2. 器件性能

当将这些 SMAs 与聚合物给体 PM1 共混时，与基于 Y6（17.06%）和 BTP-PhC6（17.43%）的器件相比，基于 BTP-PhC6-C11 的器件实现了最高的PCE（18.33%）（图2）。PM1:BTP-PhC6-C11 器件中最好的 PCE 主要归因于更大和更对称的电荷迁移率、更长的载流子寿命、沿 BTP-PhC6-C11 的共轭骨架增强的分子堆积以及更合适的相分离。

图3. 形貌表征

形貌分析表明，与 PM1:Y6和PM1:BTP-PhC6 相比，基于 BTP-PhC6-C11 的共混物在 (001) 区域显示出减小的 d 间距和增强的相干长度，表明 BTP-PhC6-C11 具有可维持的扩链特征和较大的结晶域，这与 TEM 图像一致。为了更清楚地展示这项工作中的形貌差异，三个有源层的薄膜形态示意图如图3所示。与 PM1:Y6 和 PM1:BTP-PhC6 混合物相比，由于纯 BTP-PhC6-C11 的结晶倾向更强导致PM1:BTP-PhC6-C11共混膜中更大的BTP-PhC6-C11 纯域。此外，沿 BTP-PhC6-C11 的主链更明显的堆叠由平行交错实线表示，线间距离比 Y6 和 BTP-PhC6 短，表明 BTP-PhC6-C11 的分子堆积更强。

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文献总结

总体而言，该系统研究表明，非对称侧链取代是一种简单可行的方法，可以增强 π-π 堆叠，增加电子耦合，从而提高光伏效率。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Energy & Environmental Science》上，题为“Asymmetric Side-Chain Substitution Enables a 3D Network Acceptor with Hydrogen Bond Assisted Crystal Packing and Enhanced Electronic Coupling for Efficient Organic Solar Cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，非富勒烯受体，不对称侧链取代，氢键，分子堆积。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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