Advanced Science:溴取代小分子太阳能电池受体材料

近年来,基于非富勒烯小分子受体的有机聚合物太阳电池发展迅速,展示了广阔的商业应用前景。这类材料具备设计合成简单,在可见光及近红外区有较强吸收,且能级易控易调等优势,从而为制备有机太阳能器件提供更多的材料选择。大量的文献报道卤化取代是一种有效的调控分子吸收光谱及能级的方法,目前多以氟化反应和氯化反应为主。作为同族元素,溴原子的吸电子作用以及其空轨道可以容纳共轭单元的π电子,有利于增强分子间的相互作用,进而提高分子堆积的有序度。但多个溴原子引起的过强的相互作用,会在很大程度上降低分子的溶解度,从而影响薄膜的形貌,因此如何平衡溴取代材料的薄膜形貌与分子间相互作用的关系将极具挑战。

基于上述理论,南方科技大学化学系何凤副教授团队设计合成了三种溴取代的电子受体材料BTIC-4Br, BTIC-BO-4Br 及BTIC-2Br-m。研究表明,延长中间核的支链长度以及调控溴原子的个数,可以大幅度的提高分子的溶解性和成膜性。同时,该课题组用单晶衍射的手段发现这类分子具有很好的平面性,这将有利于分子内的电荷的转移及分子间的堆积。并且端基溴原子与相邻的分子间存在着Br-S,Br-π等非共价键相互作用,使得分子通过π-π堆积到一起,从而形成三维互穿网络状的晶体结构,其将给予体系更多电子跃迁的结点,非常有利于更加高效的电子传输。相对于四溴取代分子BTIC-4Br二溴取代小分子受体BTIC-2Br-m薄膜吸收仅仅发生了5 纳米的蓝移,但摩尔吸收系数却是前者的1.74倍,这有利于分子在同等条件下对太阳光的捕获与吸收。同时,BTIC-2Br-m的最低空分子轨道(LUMO)能级为-4.07 eV, 相对于BTIC-4Br提高了0.04 eV, 这将有助于二溴取代小分子受体BTIC-2Br-m器件开路电压(Voc)的提高。通过原子力显微镜(AFM)和透射电镜(TEM)手段探究了受体分子与给体材料PBDB-TF的混合膜的形貌,结果显示PBDB-TF: BTIC-4Br混合膜有明显的颗粒状凸起,这也证明了室温下BTIC-4Br的溶解性要明显小于BTIC-2Br-m。TEM图谱显示了PBDB-TF:BTIC-2Br-m混合膜具有明显的二维连续的纤维网络结构和相分离区域,这将有利于激子的分离与载流子的传输。该课题组通过光致发光猝灭实验也验证了这一结论,在给体PBDB-TF存在时,相较于BTIC-4Br的60.3%的猝灭效率,BTIC-2Br-m高达92.9%的猝灭效率可更有利电子的转移。基于上述优势,PBDB-TF: BTIC-2Br-m体系的有机太阳能电池获得了16.11%的光电转化效率,这是目前溴取代非富勒小分子材料的最高转换效率之一。以上结果表明,溴原子取代是一种非常有效的制备高性能非富勒烯小分子受体的方法,可通过调控溴原子的数目使得分子具有更加优化的物理化学特性,从而获得更加优良的可处理性和成膜性,进而提高太阳能电池的性能。

该成果发表在Advanced science (DOI: 10.1002/advs.201903784), 第一作者为南方科技大学-澳门大学联合培养博士生王欢, 共同第一作者为南方科技大学的刘涛和华南理工大学博士生周家东,通讯作者为南方科技大学化学系何凤副教授。