南开陈永胜Adv. Energy Mater. : 供/受体能级匹配的新型蒽基非富勒烯受体助力高效有机太阳能电池

【引言】

迄今为止，大部分小分子供体和受体材料具有受体-供体-受体(A-D-A)结构。对于ADA结构分子，中心“D”单元不仅作为富电子基团诱导分子内电荷转移，而且在为电荷分离和输送实现合适的能级和分子堆积以及为溶液加工性提供足够的溶解度方面也起着关键作用。通常，扩展融合环供体核心在非富勒烯小分子受体(NF-SMA)中的π共轭将改善其给电子能力和分子内电荷转移效应以获得更窄的带隙，并增强分子间相互作用以增强分子堆积，获得更高的电荷迁移率。另一方面，精确调节末端受体“A”单元是调节分子能级，增加分子间π-π相互作用和改善电子迁移率的另一种有效方式。 此外，在NF-SMA上具有不同吸电子能力的端基交替可导致不同的能级，因此可用于与不同的供体材料更好地匹配。因此，通过精细的分子设计进行精细修饰和供体核心和端基的适当组合非常重要。

【成果简介】

近日，南开大学陈永胜教授(通讯作者)等设计并合成了两种基于七环蒽(环戊二噻吩)(AT)核和不同吸电子端基的新型NF-SMAs——AT-NC和AT-4Cl，并在Adv. Energy Mater.上发表了题为“New Anthracene-Fused Nonfullerene Acceptors for High-Efficiency Organic Solar Cells: Energy Level Modulations Enabling Match of Donor and Acceptor”的研究论文。虽然两种新的受体分子具有不同端基，但萘基稠合的茚酮(NINCN)和氯化的INCN(INCN-2Cl)具有类似的光吸收。由于氯原子的强吸电子能力，以氯化INCN作为端基的AT-4Cl显著移动。因此，当以聚合物PBDB-T作为AT-NC受体的电子供体时，可实现预期的Voc和光伏性能，并选择具有降低能级的氟化类似物PBDB-TF与AT-4Cl共混。因此，PBDBTF:AT-4Cl基器件的功率转换效率为13.27%，V_oc略低于0.901 V，19.52 mA·cm^-2的J_sc和75.5 %的填充因子相对于PBDB-T:AT-NC的值显著增强。上述结果表明，使用新型富电子AT核心以及端基优化实现能级调节，进而能够与聚合物供体匹配，是构建高性能NF-SMA的成功策略。

【图文简介】
图1 AT-NC和AT-4Cl的合成路线

AT-NC和AT-4Cl的合成路线示意图。

图2 供/受体的紫外-可见吸收光谱

a) AT-NC和AT-4Cl在氯仿溶液中的紫外-可见吸收光谱；
b) AT-NC、AT-4C、PBDB-T和PBDB-TF薄膜的紫外-可见吸收光谱。

图3 供/受体的化学结构以及能级图

AT-NC、AT-4Cl、PBDB-T和PBDB-TF的化学结构以及能级图。

图4 相应器件的光伏性能

a) 在AM 1.5G(100 mW·cm^-2)照射下，优化条件下AT-NC和AT-4Cl基器件的电流密度-电压(J-V)曲线，内插为30个器件的PCE计数直方图；
b) AT-NC和AT-4Cl基OPV器件的EQE曲线和J_sc；
c) J_ph随V_eff的变化；
d) 优化器件的J_sc随光强度(P)的变化；
e) PBDB-T:AT-NC和PBDB-TF:AT-4Cl基器件的瞬态光电流；
f) PBDB-T:AT-NC和PBDB-TF:AT-4Cl基器件的瞬态光电压。

图5 GIWAXS测试

a) AT-NC原始膜的2D GIWAXS图像；
b) PBDB-T:AT-NC共混膜的2D GIWAXS图像；
c) PBDB-T原始膜的2D GIWAXS图像；
d) AT-4Cl原始膜的2D GIWAXS图像；
e) PBDB-TF:AT-4Cl共混膜的2D GIWAXS图像；
f) PBDB-TF原始膜的2D GIWAXS图像；
g) 原始膜和共混膜的面外和面内GIWAXS曲线。

图6 共混膜的形貌

a) AT-NC纯膜的AFM图像；
b,c) PBDB-T:AT-NC膜的AFM和TEM图像；
d) AT-4Cl纯膜的AFM图像；
e,f) PBDB-TF:AT-4Cl膜的AFM和TEM图像。

【小结】

综上所述，作者通过开发新型AT富电子核并分别引入两个不同的吸电子端基NINCN和INCN-2Cl，设计并合成了两种新的NF-SMA——AT-NC和AT-4Cl。尽管相对于AT-NC具有相似的吸收光谱，AT-4Cl表现出显著下移的能级。因此，选择两种不同的供体PBDB-T和PBDB-TF以获得更好的能级匹配和更高的V_oc。与PBDB-T:AT-NC相比，具有降低的分子能级的PBDB-TF:AT-4Cl共混膜显示出适当的相分离，具有有利的分子堆积和混溶性，并且具有增强的吸收系数。因此，PBDB-T:AT-NC基器件PCE为10.91 %，V_oc为0.919 V。PBDB-TF:AT-4Cl基器件PCE为13.27%，V_oc为0.901 V，Jsc为19.52 mA·cm^-2，FF为75.5%。上述结果表明，利用新的富电子AT核心以及端基优化实现能级调节，进而能够与聚合物供体匹配，是构建高性能NF-SMA的有前途和成功的策略。

文献链接：New Anthracene-Fused Nonfullerene Acceptors for High-Efficiency Organic Solar Cells: Energy Level Modulations Enabling Match of Donor and Acceptor (Adv. Energy Mater., 2019, DOI: 10.1002/aenm.201803541)

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