核心骨架的电子特性对苝二酰亚胺类非富勒烯受体小分子光伏性能的调控研究

与富勒烯受体材料相比,有机小分子非富勒烯受体材料具有分子设计灵活多变、能级水平和光谱吸收易调、活性层形貌稳定等优点,受到科研工作者的广泛关注。目前,基于有机小分子非富勒烯受体的有机太阳能电池光电转化效率已突破12%。已报道的高性能的有机小分子非富勒烯受体材料体系主要为稠环受体(如:ITIC、IEIC)和苝二酰亚胺(PDI)两类。PDI类衍生物具有很强的缺电子性、易于进行官能团化修饰、较合适的短波长光谱吸收以及较低的LUMO能级水平,非常适合作为小分子受体材料应用于有机太阳能电池。但是,发展高性能的PDI类小分子受体也遇到一些挑战。例如:强的自聚集性不利于形成纳米级的相分离尺寸,影响光生电荷的分离与传输,从而限制了有机太阳能电池光电转化效率的进一步提升。解决这一问题的主要思路:(1)在臂位以PDI或者其他阻隔基团双点键接形成线型非平面型结构;(2)在臂位和核心骨架间多点键接形成三维或者多维非平面型结构。其中三维分子构型的PDI受体分子效率最高,但是多以富电子核心骨架将PDI单元隔离,鲜有缺电子的核心骨架的研究工作报道。

AM-pengqiang

近期,四川大学彭强教授课题组设计合成了含有不同电子特性核心骨架的具有三维构型的PDI受体小分子材料(Ta-PDI和Ph-PDI)。Ta-PDI是以缺电子的三嗪环为核心,而Ph-PDI是以给电子的苯环为核心。该工作深入研究了核心骨架的电子特性和分子结构特性对PDI类受体材料光伏性能的影响。相对于给电子的苯环核心,三嗪环核心还由于缺少氢原子,减小了核心骨架与PDI单元间的拥堵,避免了Ta-PDI结构上的PDI平面的自身扭曲,保持了PDI单元自身的电子特性。两个小分子材料均可与PTB7-Th形成较好的光谱互补。所制作的非富勒烯太阳能电池经优化后,Ph-PDI器件的效率为5.6%,而Ta-PDI器件的效率则高达9.15%。该工作还通过UV-vis、循环伏安、X-ray 衍射、SCLC等手段详细分析了三嗪环提高光电转换效率的原因。研究结果表明,核心骨架的电子特性和分子结构对于PDI类有机小分子受体的高性能设计和光伏性能提升扮演非常重要的角色。相关研究工作发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201605115)上。