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Adv. Mater:构筑高度互联电荷传输通道,实现非稠环电子受体基有机光伏效率新突破

有机半导体材料的电荷输运性质极大的影响(甚至决定)有机太阳能电池的性能,因此构筑高效电荷传输通道对实现高性能有机光伏器件至关重要。近年来,稠环电子受体的出现极大的推动了该领域的发展,特别是引入卤素原子调控分子间非共价相互作用以及设计香蕉型几何构型分子已经被证明是构建三维电荷传输网络并提升有机太阳能能量转换效率的有效策略。与稠环电子受体相比,非稠环电子受体由于其简单的分子结构和简便的合成路线等优势,或成为未来低成本有机太阳能电池的最佳候选者之一。然而,基于该类受体材料的有机光伏器件效率仍远落后于稠环电子受体,特别是目前仍然缺乏构筑高效非稠环电子受体电荷传输通道的方法。


近日,课题组与上海交通大学刘烽教授合作,在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Simple-Structured Acceptor with Highly Interconnected Electron-Transport Pathway Enables High-Efficiency Organic Solar Cells”的研究论文。该工作通过调控非稠环电子受体的烷基拓扑结构,实现了一维链式传输通道到三维高度互联电子传输网络的转变,同时进行了全面深入的器件物理研究。基于D18:3TTB-4F的有机光伏器件实现了17.38%的光电转换效率(NPVM验证效率为16.59%),刷新了目前基于非稠环电子受体有机光伏器件的效率记录。


要点一:调控烷基拓扑结构


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图1. 分子结构及光电性质


本工作开发了两个新型非稠环电子受体3TTS-4F和3TTB-4F,其具有相同的共轭主链,但侧链则分别采用直链和支链烷基取代(图1)。紫外-可见吸收光谱表明3TTS-4F和3TTB-4F在溶液态下保持几乎一致的吸收峰(~726 nm),但从溶液到薄膜具有显著不同的红移程度,说明其固态下分子堆积存在明显差异。


要点二:构建高度互联的电荷传输通道


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图2. 单晶分析与机理研究


单晶XRD衍射分析结果表明,具有直链烷基取代的3TTS-4F晶体中存在两种沿主链方向平行滑移的有效堆积,因此在一维方向上进行π-π堆积从而形成了链状的电荷传输通道。相反,具有支链烷基取代的3TTB-4F不仅具有上述两种堆积模式,还观察到了轴向旋转的π-π堆积,因此在三维方向上构成了一个高度互联的电荷传输通道。


要点三:实现创纪录的光电转换效率


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图3. 光伏性能与器件物理研究


D18:3TTB-4F体系具有更有效的激子解离、抑制的电荷复合、更平衡的电荷输运、更低的能量损失以及更合适的相分离尺度,最终获得了高达17.38%的光电转换效率(验证效率为16.59%),刷新了基于非稠环电子受体有机光伏器件的记录值(图3)。该工作提供了一种构筑高度互联电荷传输网络的有效策略,并为实现高性能非稠环电子受体提供了新的研究思路。

课题组博士研究生古晓斌为本文第一作者,上海交通大学博士研究生曾瑞为共同一作,中国科学院大学黄辉教授、张昕副教授和上海交通大学刘烽教授为论文的共同通讯作者。作者感谢国家自然科学基金委、中国科学院等相关项目的资助。


【文章链接】

Simple-Structured Acceptor with Highly Interconnected Electron-Transport Pathway Enables High-Efficiency Organic Solar Cells. 

Adv. Mater., 2024, 2401370.

https://doi.org/10.1002/adma.202401370.


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