化学所李永舫&李骁骏AM：A-DA’D-A型受体内侧链中引入苯基端基制备非卤化溶剂加工的高效有机太阳能电池

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前言回顾

有机太阳能电池（OSCs）由于其重量轻、低成本、可溶液加工、便携性以及作为可穿戴电子设备的潜力引起了人们的广泛关注。近年来，小分子受体（SMAs），特别是A-DA’D-A型SMAs，将OSCs的能量转换效率（PCE）从2019年的15%提高到了目前的18~19%，这无疑是重大的突破。然而，目前具有较高PCE的OSCs大多是通过卤代溶剂（如氯仿（CF））处理的，这主要是因为目前高性能的A-DA’D-A型SMAs具有较强的分子间相互作用和较高的结晶度，在低沸点溶剂如氯仿（CF）处理的溶液快速蒸发的过程中可以获得良好的聚集形态。但是CF的挥发性较强，且易分解成高腐蚀性气体，并导致严重的空气污染问题。相反，绿色溶剂通常具有较高的沸点，在较长时间的成膜过程中，基于A-DA’D-A型SMAs的活性层形貌不可控，分子容易过度聚集。因此，需要设计出可通过绿色溶剂处理的高性能光伏材料，以适应其较长的活性层成膜时间。

图1. 给受体分子结构、吸收特性与能级排列

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文献简介

侧链工程被广泛用于调节分子间相互作用。延长烷基侧链可以调节分子聚集，但这会影响π-π堆积，进而影响其载流子迁移率。基于此，近日，中国科学院化学研究所李永舫院士、李骁骏副研究员，美国北卡罗来纳州立大学Harald Ade教授等人提出通过在SMAs的内侧链末端引入苯基来平衡其分子堆积和聚集。侧链末端的苯基将增加分子溶解度，同时防止SMAs在快速成膜过程过度聚集。此外，在高沸点溶剂处理的相对较长时间的成膜过程中，苯基将进一步调节分子间相互作用并促进分子堆积。因此，研究人员基于Y6和L8-BO设计并合成了两种新型SMAs: Y6-Ph和L8-Ph。相关DSC测试表明，Y6-Ph和L8-Ph的结晶度比Y6和L8-BO的结晶度弱，这有利于减弱分子在成膜过程中的过度聚集。然后，研究人员用PM6作为聚合物给体，使用常用的低沸点溶剂CF和高沸点溶剂氯苯（CB）来处理相关器件，分别比较了基于Y6、L8-BO、Y6-Ph和L8-Ph的四种OSCs的光伏性能，以证明溶剂沸点对其器件性能的影响。

图2. 不同器件的光伏性能测试

研究结果显示，对于CF处理的薄膜，与Y6和L8-BO相比，Y6-Ph和L8-Ph表现出蓝移的吸收，这是由于内侧链末端苯基的空间位阻会在一定程度上影响分子堆积。而对于CB处理的薄膜，Y6-Ph和L8-Ph不仅表现出与Y6和L8-BO相似的吸收边，而且呈现出更有序的分子堆积，在高沸点溶剂处理的薄膜中实现了分子聚集和堆积之间的平衡。因此，基于PM6:L8-Ph的OSCs显示出18.83%的高PCE。此外，绿色溶剂邻二甲苯（o-XY）处理的OSCs获得了18.40%的高PCE和80.11%的高填充因子。同时，基于PM6:L8-Ph的o-XY处理的1 cm2面积的器件获得了16.66%的效率。以上结果证明，在绿色溶剂处理下，带有末端苯基内侧链的受体在较长时间的成膜过程中具有良好的结晶度和适当的聚集特性，这有利于其在实际生产中的应用。

图3. 器件形貌表征与分子堆积模拟

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文献总结

综上，该工作开发了一种高性能可绿色溶剂处理的新型OSCs受体，同时也为相关的分子设计提出了一种新策略。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上，题为“Introducing Phenyl End Group in The Inner Side Chains of A-DA'D-A Acceptors Enables High-Efficiency Organic Solar Cells Processed with Nonhalogenated Solvent”。

本文关键词：有机太阳能电池，非富勒烯受体，非卤化溶剂，形貌调控。

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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