南开大学陈永胜&姚朝阳&马在飞Angew:非富勒烯受体的中心单元氟化助力有机太阳能电池效率超过18%

发表时间：2022-08-04 16:30作者：知研光电材料

导语：研究人员设计并合成了两个具有A-D-A特征的新型NFAs（CH4和CH6），二者均具有新型扩展中心核单元，并且相对于CH4，CH6的中心单元上具有氟化作用。基于PM6:CH6的二元OSC器件PCE高达18.33%。

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1.前言回顾

具有A-D-A结构的新型非富勒烯受体（NFAs）促使有机太阳能电池(OSCs)的光电转换效率（PCE）提高到19%以上，是目前最具吸引力的可再生能源发电技术之一。其中，基于Y系列NFAs的OSCs不仅可以在非常小的驱动力下高效地产生电荷，并且能够大大降低能量损失，而且在共混膜中具有合适的形貌。尽管迄今为止人们已经对Y系列NFAs进行了各种化学修饰，但通过精确的分子结构设计来平衡开路电压（VOC）和短路电流密度（JSC），同时提高填充因子（FF）的形态优化仍然面临着巨大的挑战。

图1. 材料分子结构与基本特性

卤化策略可以显著提高OSCs的器件性能,其根本原因可以从两个方面考虑。首先，在单分子水平上，卤代具有较高的电负性，但空间位阻小，可以轻松地调节活性层分子的能级和吸收；与此同时增强分子的给受电子特征，从而有助于增大摩尔消光系数和有效的分子内电荷转移（ICT）。另一方面，在分子堆积水平上，卤化可以通过增加分子的平面度、增强分子间的非共价键相互作用来加强分子间π-π堆积，调节分子堆积模式和结晶，从而控制和优化分子聚集行为。所有上述因素可以结合在一起，最终形成更好的薄膜形貌，有利于激子的有效解离、增强电荷转移和传输、以及抑制复合，从而改善OSCs的光伏性能。然而，目前大多数高性能Y系列受体主要采用的是端基或侧链卤化策略，而中心核单元上的卤化尚未得到较多的探索，可能是由于Y6类似物中苯并噻二唑中心单元上缺乏反应位点。但更重要的是，构建其它新型中心杂环单元仍然是一项巨大的挑战。

2.文献简介

基于上述的想法，在CH17及其它CH系列分子的基础上（Sci. China Chem. 2022, 65, 1362-1373; Energy Environ. Sci. 2022, DOI: 10.1039/D2EE01340A; Chinese J. Polym. Sci. 2022, 40, 921–927），近日，南开大学陈永胜教授、姚朝阳研究员，东华大学马在飞研究员等人设计并合成了两个具有A-D-A特征的新型NFAs（CH4和CH6），二者均具有新型扩展中心核单元，并且相对于CH4，CH6的中心单元上具有氟化作用。研究人员采用苯并噻二唑的高效原位吩嗪转化，可以方便地构建CH4和CH6中新出现的吩嗪中心单元，从而为进一步构建其它类型中心杂环单元提供了一种通用方法。结果显示，与CH4相比，中心单元氟化的CH6表现出能级下移、更强的分子π-π相互作用、结晶度增加，从而表现出优异的纤维网络形态。

图2.不同分子或器件的光伏性能比较

得益于增强的电荷生成、传输和较低的能量无序，基于PM6:CH6的二元OSC器件PCE高达18.33%,同时VOC为0.875 V、JSC为26.62 mAcm-2，并且具有78.4%的优良FF。相比之下，基于PM6:CH6的二元器件PCE为16.42%，VOC为0.888 V、JSC为26.11 mAcm-2，FF相对较低，仅为71.1%。更重要的是，基于CH6的有效面积为1cm2的器件也具有良好的PCE为16.52%，同时VOC为0.873 V，JSC为25.43 mAcm-2和FF为74.4%，是迄今为止性能最好的1cm2OSCs器件之一。这些结果证明，构建新型中心杂环单元并将其进行卤化作用是非常有意义的，可以进一步揭示其在调节分子堆积、优化膜形态以提高OSCs整体性能方面的重要作用。

图3.能量损失与外量子效率测试

3.文献总结

综上，该工作提供了一种构建具有更多化学活性位点的新型中心核单元的方法，合成了两个新的CH系列分子（CH4和CH6），并且揭示了中心单元氟化在促进基于NFAs的OSCs器件PCE中的关键作用，为后续的高性能分子设计提供了有效策略。相关研究成果最新发表在国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，题为“Central Unit Fluorination of Non-Fullerene Acceptor Enables Highly Efficient Organic Solar Cells with Over 18% Efficiency”。

本文关键词：有机太阳能电池，非富勒烯受体，卤化策略，器件形貌。

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