香港科技大学&广西大学《Angew》: 新思路！中带隙非富勒烯受体材料设计

2024-10-18 11:55:47 作者：材料科学与工程来源：材料科学与工程分享至：

目前，随着国家碳中和政策的不断深入推进，光伏产业(PVs)越来越受到学术界和工业界的密切关注。有机太阳能电池 (organic solar cells, OSCs)，作为第三代光电转换技术，已实现单结器件19%以上，并且> 20%的叠层器件的功率转换效率 (PCE)，达到工业应用的基本性能要求。然而，相较于其他已商业化的高性能太阳能电池，有机太阳能电池较低的开路电压（V_OC）极大的限制了其光电转换效率的进一步提升，是当前有机太阳电池行业发展急需攻克的一个问题。因此，发展高性能中带隙非富勒烯受体材料成为突破发展瓶颈的一个必要之举。

有机半导体材料最大的优势就在于可以通过合理的结构设计来调节分子内的电荷转移(intramolecular charge transfer, ICT)效应，从而调节分子的本征光谱吸收以及堆积性质。鉴于目前最为主流的Y-系列小分子受体，我们在之前的工作中已经成功开发出β-噻吩烷氧基取代策略，削弱ICT效应从而将光谱吸收峰蓝移至750 nm左右 (Adv. Mater. 2024, 2405404; Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003141)。与此同时，香港科技大学颜河研究团队在端基设计上积累了大量的研究成果（端基氟化策略：Angew. Chem. 2021, 133, 10225-10234; Joule. 2021, 5, 1548-1565; 给/拉电子效应并存端基策略：Nano-Micro Lett. 2024 16, 30; Small. 2024, 2402793）。基于以上研究成果，高性能中带隙非富勒烯受体材料得以不断被开发出来，并应用于构建高性能三元光伏器件与室内光伏体系中。

近期，来自香港科技大学与广西大学的学者们报道了一种新颖的端基设计思路，重点研究了在苯环端基上给电子的甲氧基和吸电子的卤素原子的位置变化对偶极矩的影响。结果显示，基于γ-甲氧基和β-卤素原子的新型苯环端基 (IC-ClO &IC-BrO)，能够有效地减少了偶极矩和末端基团的电子密度，进而削弱分子内电荷转移效应。基于以上端基，结合不对称端基策略，我们成功合成了两种新型不对称中带隙受体（BTP-2FClO & BTP-2FBrO）。结果，基于PM6: BTP-2FClO体系的光伏器件取得了超过0.96 V的高V_OC。更重要的是，BTP- 2FClO和BTP-2FBrO表现出适度的分子堆积与结晶度; 使它们可以作为有效的第三组分，减少PM6:BTP-eC9的过度聚集并优化其混合膜形态。因此，基于BTP-2FClO的三元OSCs器件实现了令人印象深刻的19.34%的高效率。我们的工作不仅强调了调控端基处偶极矩对于开发高性能中带隙非富勒烯受体材料的重要性，而且为有机三元OSCs体系提供了一种高效的中带隙非富勒烯受体材料。

相关工作以“Dipole Moment Modulation of Terminal Groups Enables Asymmetric Acceptors Featuring Medium Bandgap for Efficient and Stable Ternary Organic Solar Cells”的研究性文章发表在Wiley 的旗舰刊物Angewandte Chemie International Edition。本文的第一作者是香港科技大学的博士研究生邹博森，共同第一作者为广西大学的博士研究生梁安海和香港科技大学博士研究生丁鹏博；香港科技大学颜河教授、伍世豪博士以及广西大学阚志鹏教授和为论文共同通讯作者。此外，本研究得到了南方科技大学郭亮教授与香港理工大学李刚教授的平台支持。

论文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202415332

图1. 端基设计思路与分子偶极矩计算。

图2. 本文所涉及的非富勒烯小分子受体的分子结构、偶极矩计算、紫外可见光吸收光谱、能级排布以及分子堆积比较。

图3. 二元与三元OSCs光伏器件性能与物理分析。

图4. 瞬态吸收光谱表征。

图5. 混合膜形貌分析。

综上所述，通过精确调控甲氧基与卤素在苯环端基的位置，结合不对称端基策略，我们成功合成了两种新型不对称中带隙受体（BTP-2FClO & BTP-2FBrO）。这些端基具有较小的偶极矩，能够有效减弱分子内电荷转移效应，使得小分子受体吸收光谱蓝移和带隙增大。将这些新的小分子受体与PM6结合，我们取得了基于PM6:不对称Y基小分子受体二元OSCs的新记录V_OC~0.96 V。此外，BTP- 2FClO和BTP-2FBrO表现出适度的分子堆积与结晶度; 使它们可以作为有效的第三组分，减少PM6:BTP-eC9的过度聚集并优化其混合膜形态。因此，基于BTP-2FClO的三元OSCs器件实现了令人印象深刻的19.34%的高效率。本研究强调了调控端基处偶极矩在中带隙受体材料设计中的重要性，为未来的中/宽带隙受体材料的设计提供参考。

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