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基于非共价构象锁策略构建平面型固体添加剂实现高性能有机太阳能电池
      非共价“构象锁”是通过分子内弱相互作用力实现对平面构象锁定,增强共轭骨架共平面性和刚性,从而提高载流子迁移率的分子设计策略。这一策略是由黄辉教授与美国西北大学的Tobin J. Marks教授等人在2012年共同提出,目前已经广泛应用于有机太阳能电池、有机光电探测器以及有机场效应晶体管等领域,逐渐发展成为设计高性能有机/高分子半导体材料的重要设计策略之一。


      黄辉教授团队长期致力于非共价“构象锁”的基础研究并探索其在光电材料领域中的应用,取得了一系列重要科研成果,多次发表于国内外高水平学术期刊(Angew. Chem. Int. Ed. 202160, 12475. 202160, 17720. Adv. Mater. 201729, 1606025. Adv. Energy Mater.20199, 1803012. Adv. Funct. Mater. 2022, 2112433. 2021, 2108861. 201828, 1800135. 201424, 2782-2793. Sci. China Chem. 202265, 926. 202164, 228. 201864, 228. Chem. Rev. 2017117, 10291.)。
      最近,中国科学院大学材料科学与光电技术学院黄辉教授张昕副教授领导的研究小组,在非共价“构象锁”研究方面再次取得新进展,成功的将这一策略应用于有机太阳能电池固体添加剂分子的设计,并有效提升了太阳能电池的性能。在本工作中,该团队以固体添加剂分子的构象调控作为研究的切入点,分别设计合成了扭曲型固体添加剂SAD1,以及平面型固体添加剂SAD2(引入S···O非共价“构象锁”)。通过系统深入的对比研究,该团队揭示了该类固体添加剂的工作机理,发现固体添加剂分子的构象对调控活性层形貌以及提高光伏器件性能起着至关重要的影响。
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图1 固体添加剂作用机理及对有机太阳能器件性能调控
      研究者选取PM6:Y6共混体系研究上述固体添加剂的作用机理。研究者根据吸收光谱、热重分析、二维核磁以及GIWAXS等表征测试提出了可能的工作机制:非平面构象的固体添加剂SAD1由于具有较大的空间位阻,只能少部分的“插入”到受体Y6分子间;而平面型固体添加剂SAD2由于占用空间小,可以通过与受体间的相互作用巧妙地嵌入到Y6分子之间。在随后的热处理过程中,固体添加剂完全挥发并诱导Y6分子产生更紧密和有序的分子堆积。得益于这种有利的形貌,经过SAD2处理的有机太阳能电池器件表现出更平衡的载流子迁移率和更小的复合损失,最终实现了优异的能量转化效率。
      研究者进一步将其应用到多个给/受体材料体系,发现SAD2具有良好的普适性。值得一提的是,经过SAD2处理的PM6:L8-BO体系获得了18.85%的光电转化效率(中国计量科学研究院的认证效率为18.7%),创造了当时单异质结二元器件的最高记录值。该工作不仅初步阐明了固体添加剂的设计原则,同时也进一步展示了非共价“构象锁”策略的应用潜力。



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