透视并杂环受体分子在给受体共混膜中的聚集结构

基于并杂环类受体材料的非富勒烯聚合物太阳电池的效率,进来提升很快,达到了13%以上。但是,受体材料分子的聚集结构,特别是,在给受体共混膜中的堆积结构,依然十分模糊,尽管现有的表征手段中,薄膜材料的掠角入射X-射线衍射(GIXRD)数据可以给出较为满意的间接数据。

为了更加清楚地了解,这类受体分子在给受体共混膜中的聚集结构,中科院化学研究所的詹传郎研究员与其他研究人员,合成了2,5-二甲基噻吩[3,4,c]并环戊烷-4-酮-5-亚甲基-6-(1,1-二氰基亚甲基)为端基的并杂环受体分子(ITCT-DM),得到了该分子的单晶结构。单晶结构数据表明,ITCT-DM分子形成两种J-聚集体,并以这两种J-聚集为重复结构单元,形成了三维互穿网状的p-p堆积结构,该结构有利于激子和电子在三维方向上的扩散与传输。

通过将该受体分子的单晶结构数据与常用的掠角入射X-射线衍射(GIXRD)数据关联,研究人员能够对给受体共混膜的GIXRD数据中的受体材料的衍射峰,给出清晰的结构归属——为什么受体材料会在面外方向上,给出一个宽的(010)衍射峰?为什么会在面内和面外方向上,各出现一个强的(100)衍射峰?为什么会在0.4-0.45nm处出现一个弱的衍射峰?通过将这两个数据关联,研究人员给出了受体分子在给受体共混膜中更为清晰的J-聚集结构图像——受体分子形成pp-堆积紧密的三维互穿网状的J-聚集结构;通过这样清晰的结构归属指出,和面内方向上的(100)衍射峰相比,面外方向上的衍射峰更适合用来判断,在给受体共混膜中,受体分子在面外方向上的结晶性的强弱,这是因为面外方向上的(100)衍射峰,可以更好地关联面外方向上的pp-堆积结构及其有序性。

他们也详细研究了,热退火和溶剂添加剂(1,8-二碘辛烷,DIO)对给受体结晶性的影响,发现,和DIO相比,热退火可以更有效地增加受体材料相的结晶性,提升短路电流,而DIO的使用,则可以协助得到更为精细平整的薄膜形貌,提高填充因子,两者结合,给出更好的器件性能,最终得到了10.5%的光电转换效率。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201800204)上。