唐卫华等人Chem. Eng. J.：非对称非稠环受体分子实现效率超过12％的有机太阳能电池

随着新型受体分子（特别是稠环类受体，FREAs）的出现，有机太阳能电池（OSC）领域已经取得了突破性的进展，单结OSC的光电转换效率（PCE）也已经超过18%。很多经典的FREAs像ITIC等依赖于受体-给体-受体（A-D₁DD₁-A）的结构，其中给体部分结合在一起最终形成梯形稠环核心。这种对称结构的电子推拉效应可以诱导分子内电荷转移并扩展吸收，因此被认为是制备高效FREA的重要策略。此外，还有研究人员通过替换给电子核一侧的结构单元，设计出具有A-D₁DD₂-A不对称结构型FREAs如IPT-4F等，其沿着共轭结构具有更强的分子间结合能和更大的偶极矩，因此获得了更高的性能。更重要的是，2019年Y6的出现宣布了又一新型A-D₁A₁D₁-A稠环结构的出现，通过相应的改性，研究人员设计并合成了大量Y6衍生物，例如AY6和BTP-eC9等，使得单结OSC的器件效率不断提高，最终超过18％。然而值得注意的是，到目前为止，大多数高性能的FREAs都需要繁杂的合成步骤，这无疑会增加材料成本从而限制相应的商业化应用。因此，通过新颖而合理的分子设计以降低成本获得高效的受体，对于OSC的广泛应用具有重要意义。

目前为止，很少有系统的工作研究相应的非稠环受体分子对OSC器件性能的影响。基于此，近日，南京理工大学唐卫华教授课题组通过设计并合成了三种基于A-D₁-D-D₁-A，A-D₁-D-D₂-A和A-D₁-A₁-D₁-A的非稠环结构的受体分子：DBT-4F，DBD-4F和DBTD-4F，从而系统化研究了非稠环结构受体对于OSC光电性质之间的关系。研究结果显示，三种新型受体分子均显示出从可见光到近红外区的强吸收，从DBT-4F，DBD-4F到DBTD-4F，HOMO能级呈现线性增加的趋势，而LUMO能级则不断降低，且都具有低于1.45 eV的窄光学带隙。这其中，DBT-4F相比于其它两个受体分子表现出更宽的光学带隙约1.43 eV。此外，三种分子的合成简单，总共步骤不超过四步。

研究人员随后将三种受体分子与聚合物给体PBDB-T共混分别制备了相应的OSC器件。通过比较，基于PBDT-T：DBT-4F的OSC器件的薄膜表现出更均匀的相分离形态，并且具有很明显的质感，为进行有效的电荷传输奠定了基础。基于PBDB-T：DBT-4F的OSC获得了12.14%的最佳PCE，远高于基于DBD-4F和DBTD-4F的OSC器件（分别为8.34%和5.55%）。该器件同样显示了优异的光电参数：开路电压（V_OC）为0.88 V，短路电流密度（J_SC）为19.65 mA cm⁻²，填充因子（FF）为70.24%。据悉，12.14%的PCE是目前基于非稠环类受体的二元OSC的最高值之一。这些结果不仅表明A-D₁-D-D₂-A结构可能更适合非稠环结构型受体，对于设计开发更高性能的OSC有巨大潜力。

总之，这项工作不仅系统地探究了非稠环受体分子对OSC性能的影响，同时也为设计和开发新型受体分子提供了新思路。相关研究成果现已发表在《Chemical Engineering Journal》上，题为“Asymmetric simple unfused acceptor enabling over 12% efficiency organic solar cells”。文章的第一作者是南京理工大学曹金如博士，通讯作者是南京理工大学唐卫华教授。

文献地址：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128770

文中所涉及材料：

PBDB-T：1415929-80-4