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Adv. Mater./Angew. Chem.三连发:课题组在非稠环电子受体聚集态结构调控方面取得系列研究进展

电荷传输过程极大的影响甚至决定了有机太阳能电池的性能,因此构筑高效电荷传输通道对于实现高性能有机光伏器件至关重要。近年来,稠环电子受体(以ITICY6为代表)的发明驱动有机太阳能电池领域快速发展,这与其有序/三维的聚集态结构密不可分。与稠环电子受体相比,非稠环电子受体具有更简单的化学结构和简便的合成路线等显著优势,因此展现出在低成本有机太阳能电池中的巨大应用潜力。然而,目前基于该类受体材料的有机光伏器件光电转换效率仍落后于稠环电子受体,特别是尚缺乏调控非稠环电子受体聚集态结构的有效方法。


最近,课题组有机光伏研究小组采用多种分子设计策略,系统调控非稠环电子受体的聚集态结构,成功构筑了紧密有序的分子自组装体和高度互联的电荷传输通道,数次打破基于低成本非稠环电子受体的有机太阳能器件效率记录。

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1. Angew. Chem.:多重分子间非共价相互作用助力构筑紧密三维聚集体

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通过精细调控二苯胺基大位阻侧链的烷基长度,设计并合成了三个新型非稠环电子受体DPA-n(n = 3, 4, 5)。单晶XRD衍射分析结果表明,相对于具有最短烷基侧链的受体材料DPA-3,拥有中等烷基的DPA-4具有更紧密的三维电子传输网络和较高的堆积系数(67.2%),这得益于多重分子间非共价相互作用(C=O···H和S···F)构筑的“互锁”平面。当进一步增加烷基长度时,DPA-5的堆积系数呈现出减小的趋势(64.4%)。最终,D18:DPA-4共混膜具有更高效的电荷传输、更低的能量损失和合适的相分离,获得了高达16.67%的器件效率,是当时基于非稠环电子受体有机光伏器件的最高值之一。


原文链接:Han, Z.#; Zhang, C.#; He, T.#; Gao, J.; Hou, Y.; Gu, X.; Lv, J.; Yu, N.; Qiao, J.; Wang, S.; Li, C.; Zhang, J.; Wei, Z.; Peng, Q.; Tang, Z.; Hao, X.; Long, G.; Cai, Y.; Zhang, X.*; Huang, H.*, Precisely Manipulating Molecular Packing via Tuning Alkyl Side-Chain Topology Enabling High-Performance Nonfused-Ring Electron Acceptors. Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202318143.

https://doi.org/10.1002/anie.202318143


2. Adv. Mater.:调节烷基拓扑结构构筑高度“互联”电荷传输通道

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进一步通过调控非稠环电子受体的烷基拓扑结构,开发了两个新型非稠环电子受体3TTS-4F和3TTB-4F。两者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。单晶XRD衍射分析结果表明,具有直链烷基取代的3TTS-4F晶体在一维方向上进行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观察到独特的轴向旋转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。结果表明,D18:3TTB-4F体系具有更有效的激子解离和更平衡的电荷输运,最终获得了高达17.38%的光电转换效率(NPVM验证效率为16.59%),刷新了报道时基于非稠环电子受体有机光伏器件的记录值。


原文链接:Gu, X.#; Zeng, R.#; He, T.; Zhou, G.; Li, C.; Yu, N.; Han, F.; Hou, Y.; Lv, J.; Zhang, M.; Zhang, J.; Wei, Z.; Tang, Z.; Zhu, H.; Cai, Y.; Long, G.; Liu, F.*; Zhang, X.*; Huang, H.*, Simple-Structured Acceptor with Highly Interconnected Electron-Transport Pathway Enables High-Efficiency Organic Solar Cells. Adv. Mater., 2024, 36, 2401370.

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


3. Angew. Chem.:卤素转置策略助力非稠环电子受体自组装结构的精准调控

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最近,团队又通过卤素转置策略设计并合成了两个新型非稠环电子受体(TTB-FCl和3TTB-ClF)。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。


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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,从而形成了一个二维层状结构。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,因此形成了三维互穿的堆积网络,构筑电荷传输高速通道。研究显示,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了D18:3TTB-4F:3TTB-ClF三元器件,实现了18.24%的记录效率。


原文链接:Gu, X.#; Zeng, R.#; Hou, Y.; Yu, N.; Qiao, J.; Li, H.; Wei, Y.; He, T.; Zhu, J.; Deng, J.; Tan, S.; Zhang, C.; Cai, Y.; Long, G.; Hao, X.; Tang, Z.; Liu, F.*; Zhang, X.*; Huang, H.*, 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.

 

总结:课题组团队成员通过分子结构的理性设计,构筑了包括一维、二维、疏松/紧密三维等有序程度多样化的分子聚集体,数次创造该类低成本受体材料有机光伏器件的记录效率,并首次实现了大于18%效率的新突破。该系列工作证明了非稠环电子受体的巨大应用潜力,并为低成本有机太阳能电池的发展注入新活力。


以上工作得到了国家自然科学基金、中国科学院等相关项目的资助。作者感谢上海交通大学刘烽教授团队给予的大力支持!


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