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Angew. Chem.:精细调控烷基侧链以操纵分子堆积并实现高性能非稠环电子受体

有机太阳能电池(OSCs)由于具有柔性、质轻、可印刷制备等特点,作为一项极具应用前景的光电转换技术而受到广泛关注。得益于非富勒烯受体(NFAs)的迅速发展,OSC的光电转换效率(PCE)已突破19%。受体材料的共轭分子骨架能够影响几何构型、前线轨道能量和聚集行为等,进而决定器件性能。到目前为止,大量的研究都聚焦于NFA的分子骨架设计,如刚性稠环核与简单非稠环核,并分别对应稠环电子受体(FREAs)和非稠环电子受体(NFREAs)。NFREAs由于具有简便的合成路线、较低的合成成本,在商业化应用中表现出极大潜力。烷基侧链作为NFAs的另一重要组成成分,能够有效调节分子的溶解度、光物理性质和堆积方式等。然而,NFREAs的烷基侧链对于分子聚集模式,尤其是对于结晶行为的影响其构效关系仍不明确,这限制了其光伏器件性能的提升。

 

最近,课题组通过精细调控烷基侧链长度,设计并合成了一系列新型NFREAsDPA-nn = 3, 4, 5),并成功调控了分子的晶体堆积模式。尽管三个材料在溶液中表现出几乎一致的吸收光谱,但具有中等烷基长度的DPA-4在薄膜状态下表现出更高的消光系数,这表明了其在薄膜中更加紧密的分子堆积。此外,单晶XRD衍射结果表明,多重分子间C=O···HS···F相互作用能够形成延展互锁平面,这促进了DPA-4更高效的3D电子传输和更大的晶体堆积系数,有利于提高材料的电子迁移率。


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1. 分子结构与合成路线


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2. 吸收光谱、能级排列与晶体中的分子构象


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3. 晶体堆积模式与三维晶体堆积网络


器件物理研究表明,当与聚合物给体D18共混制备OSCs时,基于DPA-4的光伏器件表现出更高效的激子解离与电荷收集、更高且更平衡的电子/空穴迁移率、更低的能量损失、更快的空穴转移以及适中的相分离,揭示了其更高的EQE响应与更优器件性能的原因。结果表明。基于D18:DPA-4的器件PCE16.67%,是目前基于NFREAs的器件最高值之一。


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4. 光伏性能与器件物理研究


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5. 薄膜形貌研究


这项工作通过精细调节NFREAs烷基侧链的拓扑结构,成功获得了更加高效的3D晶体堆积网络、优化的薄膜堆积行为和高性能光伏器件,展现了NFREAs的巨大发展潜力,并为设计高性能NFREAs提供了新的思考。

该项工作以“Precisely Manipulating Molecular Packing via Tuning Alkyl Side-Chain Topology Enabling High-Performance Nonfused-Ring Electron Acceptors”为题发表于《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202318143. https://doi.org/10.1002/anie.202318143.)论文第一作者为课题组博士研究生韩子阳共同第一作者张彩娥博士、南开大学何腾飞博士,通讯作者为中国科学院大学黄辉教授张昕副教授


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