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Angew. Chem.:卤素转置策略助力非稠环受体基有机光伏器件创造新效率记录

【文章信息】

通过卤素转置策略精细调控非稠环电子受体的分子间相互作用和分子堆积,实现高性能有机太阳能电池

第一作者:古晓斌、曾瑞

通讯作者:黄辉*,张昕*,刘烽*

单位:中国科学院大学,上海交通大学

 

【研究背景】

稠环电子受体的发明极大的推动了有机太阳能电池领域的发展,目前单结器件的光电转换效率已突破20%。然而,稠环电子受体中存在高度稠合的π-共轭骨架,导致其面临着冗长合成路线和较高生产成本等问题,限制了该类材料的商业化应用。相比之下,非稠环电子受体因其简单的分子结构和简便的合成路线而备受关注。非共价“构象锁”或大位阻立体侧链的引入,使得非稠环共轭骨架能够实现与稠环结构相媲美的高平面性和刚性,这为非稠环电子受体在低成本有机太阳能电池领域应用提供了可能。然而,目前尚缺乏构筑非稠环电子受体有序聚集态结构的方法。因此,探寻有效调控聚集态结构的策略,对于提升基于此类材料的光伏器件效率至关重要。


【文章简介】

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Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“Precisely Regulating Intermolecular Interactions and Molecular Packing of Nonfused-Ring Electron Acceptors via Halogen Transposition for High-Performance Organic Solar Cells”的研究论文。该工作通过卤素转置策略精细调控非稠环电子受体的分子间相互作用,实现了二维层状到三维互穿网络聚集态结构的转变。基于3TTB-ClF的二元和三元有机光伏器件分别获得了17.46%和18.24%的光电转换效率,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。


【本文要点】

要点一:卤素转置策略

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图1. 文献已报道及本工作提出的端基卤化策略

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图2. 化学结构及薄膜吸收光谱

本工作提出端基转置策略,即对卤原子的取代位置进行互换,设计并合成了两个新型非稠环电子受体3TTB-FCl和3TTB-ClF(图1-2)。紫外-可见吸收光谱显示3TTB-ClF在固态下的吸光系数(1.27 × 105 cm−1)明显高于3TTB-FCl(1.10 × 105 cm−1),表明其分子间存在更强的相互作用和更紧密的堆积。


要点二:调控分子间相互作用和堆积

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图3. 基于晶体的分子间相互作用和堆积行为研究

单晶XRD衍射分析结果表明,3TTB-FCl存在多重分子内非共价相互作用介导的层内互锁结构,从而形成二维层状聚集态结构。相反,3TTB-ClF由分子间π-π相互作用构成了一个贯通式互锁结构,因此形成三维互穿网络的聚集态结构,构筑电荷传输高速通道。


要点三:实现光电转换效率新记录

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图4. 光伏性能与器件物理研究

器件物理和薄膜形貌研究表明,D18:3TTB-ClF体系具有更高的开路电压、更低的能量损失、更有效的激子解离、更平衡的电荷输运以及更合适的相分离形貌,因此获得了17.46%的光电转换效率。进一步将其作为第三组分构建D18:3TTB-4F:3TTB-ClF三元器件,实现了18.24%的记录效率(图3)。该工作对于调控分子间相互作用和构筑高效电荷传输通道提供了有效策略,同时首次突破18%的效率也展现了非稠环电子受体的巨大应用潜力。

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,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】

Precisely Regulating Intermolecular Interactions and Molecular Packing of Nonfused-Ring Electron Acceptors via Halogen Transposition for High-Performance Organic Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202407355.

https://doi.org/10.1002/anie.202407355


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