南昌大学陈义旺&谈利承团队SCC:界面调节策略助力二元有机光伏电池具有高效率和稳定性

发表时间：2022-08-04 17:29作者：知研光电材料

导语：研究人员采用中心核的二维侧链氟化策略来微调分子能级和形态，设计并合成了一系列超窄带隙受体：DTPC-OD、DTPC-DT、FDTPC-OD和FDTPC-DT，并将其应用于OSCs和OPDs器件之中，均具有较高的性能。

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1.前言回顾

近年来，近红外有机光伏材料因其在高性能有机太阳能电池（OSCs）和有机光电探测器（OPDs）中的巨大优势而备受关注。随着非富勒烯受体（NFAs）的迅速发展，最先进OSCs器件的光电转换效率（PCE）现已超过18%。然而，基于超窄带隙受体的OSCs器件（光学带隙≤ 1.30 eV）能量损失大，通常会出现较低的PCE和开路电压（VOC）。另一方面，近红外非富勒烯受体也进一步被应用于OPDs，其器件结构和工作原理与OSCs类似。随着大量非富勒烯小分子受体材料的出现，其近红外吸收光谱波长已经扩展到900 nm以上。然而，由于能级不匹配和可用近红外NFAs类型较少，目前仅报告了少数检测波长超过1000 nm的近红外OPDs。因此，在近红外波段设计和合成低损耗、高响应的新型光伏材料对于OSCs和OPDs的发展仍具有重要意义。

图1.四种受体分子合成路线

2.文献简介

端基氟化是调节分子能级和结晶度的有效方法，然而关于富电子核氟化的报道却很少。因此，迫切需要通过中心核氟化策略微调超窄带隙受体的能级，并研究其对分子自组装和活性层形态的影响。有鉴于此，近日，江西师范大学陈义旺教授、廖勋凡教授研究团队与南京理工大学徐晓宝教授、香港中文大学路新慧教授等合作采用中心核的二维侧链氟化策略来微调分子能级和形态，设计并合成了一系列超窄带隙受体：DTPC-OD、DTPC-DT、FDTPC-OD和FDTPC-DT。研究人员首次对中心核氟化效应进行了系统研究，选择具有强给电子能力的二维含氮共轭结构DTPC作为中心核，以及DFIC为端基，从而确保强分子内电荷转移（ICT）效应用以扩大吸收。此外，他们通过将不同烷基侧链引入到苝结构的吡咯环氮原子上，并选择2-氟己基苯作为氟化二维侧链来微调分子能级和堆叠行为。

图2.分子堆积行为

研究结果显示，与二维非氟化受体相比，二维氟化受体的吸收发生蓝移，带隙增大，LUMO和HOMO能级略有下降。单晶数据表明，烷基支链在主骨架平面上呈无序排列，刚性苯基侧链分布在分子主链的两侧，可以防止过度的分子聚集，从而使其具有良好的溶解性。众所周知，分子π-π堆积是非富勒烯受体单晶中自组装的重要驱动力。研究人员发现，四个受体都可以通过非共价相互作用，尤其是π-π相互作用，最终形成蜂窝状的三维网络堆叠结构。其中，烷基侧链较短的氟化FDTPC-OD的具有最小π-π堆积距离（3.29Å）和堆积因子值（248.529），这有利于电荷转移和带隙减小。结果表明，基于PTB7-Th:FDTPC-OD的OSCs器件获得了8.58%的最佳PCE，短路电流密度（JSC）为19.78 mA cm-2，填充系数（FF）为0.62。值得注意的是，相应OPD器件的响应度>0.4 A W-1（880 nm），暗电流≈8×10-11 A，比探测率>2.5×1011琼斯，充分说明了材料的高性能。

图3.光电探测器件性能测试

3.文献总结

综上，该工作开发了四种超窄带隙的NFAs并将其应用于OSCs和OPDs器件之中，有望在未来的光伏和检测领域发挥重要作用。相关研究成果最新发表在国际材料与器件领域著名学术期刊《Advanced Functional Materials》上，题为“NIR Photodetectors with Highly Efficient Detectivity Enabled by 2D Fluorinated Dithienopicenocarbazole-Based Ultra-Narrow Bandgap Acceptors”。

本文关键词：有机太阳能电池，有机光电探测器，分子堆积，窄带隙受体，近红外吸收。

4.材料推荐