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新型非稠环受体分子助力有机太阳能电池效率新突破

1 前言

        近年来,稠环电子受体(FREAs)在提高有机太阳能电池(OSCs)器件性能方面发挥了关键作用,将OSCs带入了一个新阶段。然而,FREAs通常需要多个合成步骤,导致总收率低,合成成本高,并不利于未来的大规模商业应用。为了简化合成路线并降低材料成本,非稠环电子受体(NREAs)应运而生,根据π共轭核的复杂性,NREAs可分为两种类型:一种类型是简单的稠环作为π共轭核(NREAs-I),另一种类型是非稠环π共轭核(NREAs-II)。然而,NREAs-II的性能仍远低于NREAs-I和FREAs。因此,迫切需要通过分子工程探索出高性能NREAs-II。

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图1:分子结构与设计策略

2 简介

        基于此,近日,中国科学院大学黄辉教授研究团队设计并合成了一系列新型具有S··O共价键的NREAs-II:PhO4T-1、PhO4T-2和PhO4T-3。研究人员采用廉价且容易获得的2,3-二溴噻吩作为原始材料,通过不同的端基修饰,系统地调节了分子的光捕获能力、能级和堆积行为。在薄膜中,PhO4T-1、PhO4T-2和PhO4T-3的红移分别大约为40、60和50 nm,这表明三种分子可以在固态中形成π-π堆积。同时,PhO4T-3具有最小的斯托克斯位移,说明PhO4T-3的骨架刚性最强,重组能最低。根据Marcus电子转移理论,这一特点可能有助于电子传输。

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图2.分子基本性质

        最后,研究人员将三种受体分子分别与聚合物给体PBDB-T共混制备了相应的OSCs器件。结果显示,基于PhO4T-3的器件实现了高达13.76%的最佳PCE,这主要归因于其宽吸收范围、接近零驱动力、低能无序、平衡迁移率、改进的相分离和良好的共混膜形态。此外,通过相关计算得出PhO4T-3的FOM值远高于IT-4F、Y6和M34等高性能FREAs的FOM值。这些结果也进一步说明了所开发的新型受体分子用于制备低成本和高性能OSCs的潜力。

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图3.光伏性能比较

3 总结

         综上,该工作为探索简单结构的新型NREAs-II提出了重要策略。相关研究成果现已发表在国际材料与器件领域著名学术期刊《Advanced Functional Materials》上,题为“Simple Nonfused-Ring Electron Acceptors with Noncovalently Conformational Locks for Low-Cost and High-Performance Organic Solar Cells Enabled by End-Group Engineering”。

本文关键词:有机太阳能电池,非稠环电子受体,PhO4T-1,PhO4T-2,PhO4T-3。

4 材料


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PBDB-T
1415929-80-4
Y6
2304444-43-1


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