Small Methods: 柔性核心骨架设计实现高性能非富勒烯受体材料及其器件填充因子和效率的提升

近年来,基于非富勒烯受体的有机太阳能电池研究备受关注。与传统富勒烯受体相比,非富勒烯受体具有能级可调、吸收范围宽、形貌稳定性好等优点,进一步推动了有机太阳能电池器件效率突破14%。目前报道的高性能的非富勒烯受体材料,如:ITIC、ITIC-Th、IT-M、IT-4F等,几乎都是基于刚性大稠环结构为核心骨架的D-A共轭小分子体系。刚性大稠环结构的使用实现了给、受体构筑单元的高度平面化,拓展了受体分子体系的π共轭,从而有利于改善目标材料的光谱吸收、提高其迁移率。但是大稠环骨架的合成步骤繁琐、产率较低、成本昂贵。为了改善受体分子的溶解性,一般需要通过sp3碳(硅、锗等)桥原子键接大体积烷基侧链。在这些分子的构型中,烷基侧链伸展到稠环核心骨架的共轭平面外,增大了目标材料分子堆积距离,抑制了分子间π-π轨道重叠,降低了其载流子迁移率。另外,过度刚性的核心稠环骨架也严重阻碍了受体材料与给体聚合物间的共混性,难以形成理想的纳米相分离形貌。

四川大学的彭强教授和徐云祥副教授课题组在前期报道的基于IDT大稠环核心骨架的小分子受体IDT-BT-R2的研究基础上,采用相对柔性核心骨架的分子设计策略,“剪去”IDT-BT-R2核心稠环骨架上的一个sp3碳桥键和相应的烷基侧链,合成了两个新颖结构的小分子受体TIDT-BT-R2、TIDT-BT-R6。系统研究了末端绕丹宁受体结构上烷基链的长度对于分子相关性能的影响。具有较短烷基链的TIDT-BT-R2具有更高的结晶性,更好的电荷传输能力,与PTB7-Th共混所制备的非富勒烯器件获得了8.7%的能量转换效率,其开路电压也高达1.04 V, 能量损失则低至0.55 eV。同刚性稠环核心骨架的IDT-BT-R2相比,基于TIDT-BT-R2的器件获得了更高的效率,这主要得益于相对柔性的核心骨架实现了受体小分子与给体聚合物共混时更好的穿插自由度和共混性,因而显著改善了活性层的纳米相分离形貌,提高了活性层载流子传输平衡性,抑制了器件中的电荷复合,最终实现了器件填充因子的大幅提升。我们采用的相对柔性核心骨架的分子设计策略将对以后发展高性能的小分子非富勒烯受体材料提供全新的思路。相关工作发表在Small Methods 2018, 1700373上。

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