​北京师范大学薄志山《Angew》:合成简单,效率又高,精简受体小分子也可以很出彩!

自Y6受体分子问世,其高效率成功吸引众多业内工作者,因此也开始“Y系列”受体分子的改进与修饰,目前基于“Y系列”受体分子的最高效率接近18%,熔融环受体分子的设计佳作频出,但完全非熔融环受体分子的发展却略显缓慢,因此,北京师范大学薄志山课题组设计并合成了2种完全非熔融环受体o-4TBC-2F和m-4TBC-2F,通过调节己基氧基链的位置控制分子扭曲程度,以此影响分子聚集体的形成,以PBDB-T为给体,基于o-4TBC-2F共混膜具有高电荷迁移率、低能量损失和高PCE值(10.26%),远高于m-4TBC-2F(2.63%),是目前报道基于完全非熔融环受体PCE值最高的器件之一,为全非熔融环受体的发展再次打通一条新的方向!相关成果以“A De Novo Design of Fully Non-fused Ring Acceptor with Planar Backbone and Near-IR Absorption for High Performance Polymer Solar Cells”为题于2020年8月31日发表于《Angew》

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如图1是2个分子的结构,可以发现受体分子具有如下潜在优势:[1]平面主链有利于π-电子离域;[2]平面分子促进分子间π-π相互作用,进而促进电荷运输;[3]侧链垂直取代防止分子过度聚集;[4]4个侧链为受体提供良好的溶解性,从而使得共混膜具有良好形貌。更重要的是,在热退火之后,o-4TBC-2F分子诱导产生J-聚集,最近的相关研究表明,J-聚集和其他类型的分子间相互作用有助于构建3D网络结构,使得电荷空穴传输途径增加,传输效率得以提升。

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图1  o-4TBC-2F、m-4TBC-2F受体分子结构示意图

[图文速递]

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图2   热退火前后o-4TBC-2F和m-4TBC-2F薄膜的吸收光谱

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图3  DFT计算分子几何构型。从侧面看,o-4TBC-2F分子主链是平面状态,而m-4TBC-2F分子主链扭曲,由于烷氧基位置不同,与主链的二面角分别为74°、46°;俯视图观察2个中心噻吩单元的二面角分别为10°、57°,非取代噻吩和侧链取代噻吩的二面角分别为3°、10°

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图4  归一化FTPS-EQE光谱。PBDB-T:o-4TBC-2F和PBDB-T:m4TBC-2F的EUs分别为27.24和38.74meV,PBDB-T:o-4TBC-2F共混膜的EU降低了24.51meV,表明PBDB-T:o-4TBC-2非辐射能连损耗较低,有助于Jsc与Voc之间的平衡

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图5 纯膜与共混膜GIWAXS测量。纯o-4TBC-2F和m-4TBC-2F薄膜采用随机的分子取向,无可见(010)和(100)衍射峰;热退火后,纯o-4TBC-2F薄膜出现(010)和(100)衍射峰,表明热退火可以进一步促进o-4TBC-2F的分子堆积行为;对于共混膜,PBDB-T:m-4TBC-2F具有非晶态特征,在OOP方向出现微弱(010)峰,而PBDB-T:o-4TBC-2F共混物表现出更好的结晶特性,π-π相互作用更强;热退火后,PBDB-T:o-4TBC-2F共混膜的二维衍射特征明显,一维谱图出现明显(010)峰,表明PBDB-T:o-4TBC-2F共混膜具有明显的长程有序性和择优取向面,有助于电荷输运

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图6  PBDB-T:o-4TBC-2F和PBDB-T:m-4TBC-2F共混膜的AFM和TEM图像。PBDB-T:m-4TBC-2F薄膜形成均匀的表面形貌,相比之下,PBDB-T:o-4TBC-2F薄膜中形成了具有微小纤维的纳米级相分离,热退火后这种现象更加明显;TEM中,PBDB-T:o-4TBC-2F薄膜具有清晰的互穿网络结构,有助于激子离解和电荷传输,而PBDB-T:m-4TBC-2F薄膜,无法观察到纳米纤维

[小结]

本文避开复杂的合成过程,设计了2个完全非熔融环受体分子,虽仅仅改变侧链烷氧基的位置,但是2个分子的扭曲程度完全不同,o-4TBC-2F分子发生有利的J-聚集。目前,完全非熔融环受体分子的效率仍有很大的提升空间,精简的设计也能带来惊喜,受体分子的发展前景依然明亮,在实现高PCE的过程中,道路不只一条,每一条路上都充满惊喜,相信在众多行业工作者的奇思妙想下,有机太阳能电池的前景,一片明朗!

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