深圳大学杨楚罗&罗正辉Angew：高性能有机太阳能电池小分子受体具有优化的轨道重叠长度和分子堆积

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前言回顾

近年来，通过设计新型有机光伏材料，特别是A-D-A和A-DA1D-A型小分子受体（SMAs）,有机太阳能电池（OSCs）取得了重大进展。目前高效的A-DA1D-A型SMAs体系主要通过改变分子的侧链修饰，如L8-BO和BTP-eC9等，然而控制具有不同烷基链的SMAs的有效设计原理仍然难以捉摸，这就导致了试错情况的发生。与侧链修饰相比，A-DA1D-A型SMAs的中心核缺电子A1单元在决定OSCs的效率方面也起着至关重要的作用，但受到的关注较少。由于各种A1单元会导致SMAs结构的巨大差异，通过对中心缺电子单元的研究可以深入了解A-DA1D-A构型受体高效背后的科学原因。最近的研究表明，修饰SMAs中缺电子的A1组分可以显著影响SMAs的物理化学性质和器件效率。

从单分子水平来看，改变A1可以（1）直接调节相应受体材料的分子能级、重组能和吸收光谱；（2）调节中心核DA1D的给电子能力，最终影响分子内电荷转移效应。从分子聚集行为的角度来看，改变A1可以（1）提高分子的有序性，减少两个A1之间的π–π堆积距离；（2）调节结晶行为和晶体堆积模式，这有利于提供最佳的电子传输通道。此外，微调A1可以改善电荷产生，并减少能量损失和Urbach能量，从而提高光伏性能。因此，对缺电子A1单元的进一步研究和开发对于提高A-DA1D-A型SMAs体系的器件性能至关重要。

图1.不同受体分子结构设计与合成路线

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文献简介

基于上述的因素，为了研究新型缺电子A1单元和氯化对SMAs的光伏性能以及光电性能的影响，近日，深圳大学杨楚罗教授、罗正辉副教授研究团队开发了一系列基于吡啶并喹喔啉（PyQx）中心核的SMAs，其中一个氯原子位于吡啶上的不同位置或不同数量（0，1，2）的氯原子，即Py1（0氯原子），Py2（1个氯原子）、Py3（1个氯原子）、Py4（1个氯原子）和Py5（2个氯原子）。其中，Py2、Py3和Py4中的氯原子分别位于中心核的吡啶单元中N原子的邻位、间位和对位。通过将未氯化的Py1与四种氯化的SMAs进行比较，可以得出结论，中心核的氯化扩大了光学带隙并提高了SMAs的能级。密度泛函理论（DFT）计算表明，与其它四个受体相比，Py2产生了大的偶极矩，并且两个端基之间的π∙∙∙π堆积距离变小。这些性质有利于分子堆积，从而在PM1:Py2二元器件中产生强的表面取向、合适的畴尺寸和弱的电荷复合。

图2.不同受体分子的能级、偶极矩和二聚体分子构型

研究结果显示，与基于Py1（PCE=11.78%；FF=0.633）、Py3（PCE=16.15%；FF=0.725）、Py4（PCE=7.40%；FF=0.502），Py5（PCE=15.87%；FF=0.765）的器件相比，基于PM1:Py2二元器件表现出17.73%的最佳PCE和0.759的高填充因子（FF）。此外，基于PM1:PTQ10:Py2三元器件获得了18.43%的优异PCE。研究表明，A-DA1D-A型SMAs中缺电子A1单元的适当氯化可以微调偶极矩、二聚体中轨道重叠长度、分子间相互作用、聚集行为、活性层形态，并进一步提高A-DA1D-A型SMAs的器件性能。更重要的是，这项研究强调了分子中大偶极矩、长轨道重叠长度和小π∙∙∙π堆积距离在创建高性能A-DA1D-A型SMAs中的关键作用。

图3.不同器件的光伏性能比较

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文献总结

综上，该工作为设计高效的A-DA1D-A型SMAs提供了宝贵的指导。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，题为“High-Performance Organic Solar Cells Containing Pyrido[2,3-b]quinoxaline-Core-Based Small-Molecule Acceptors with Optimized Orbit Overlap Lengths and Molecular Packing”。

本文关键词：有机太阳能电池，非富勒烯受体，分子堆积，氯化策略。

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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