Advanced Materials:三维激子和电荷传输的稠环电子受体光伏材料

有机太阳能电池具有质量轻、柔性和半透明等特点。富勒烯因其优异的三维电荷传输以及较高的电子迁移率而成为经典电子受体。但是,富勒烯受体在可见和近红外区吸收较弱,分子轨道能级调控受限,形貌稳定性较差,制约了有机光伏领域的进一步发展。2015年,北京大学占肖卫课题组提出了稠环电子受体的概念,发明了明星分子ITIC(Adv. Mater., 2015, 27, 1170–1174)。与富勒烯受体相比,ITIC类稠环电子受体在可见和近红外区吸收强,分子轨道能级易调,打破了有机太阳能电池在受体材料上所受到的种种局限。5年来,因ITIC类受体的出现,非富勒烯电池效率从7%迅速飙升至18%,大大超越富勒烯体系,有机太阳能电池领域从此步入非富勒烯时代。

氟原子半径小,电负性大,是体积最小的拉电子基团,可以用于调制分子轨道能级。另外,氟原子可以形成FS、FH 和 Fπ等非共价键相互作用,进而增强分子堆积和电荷传输。2017年,占肖卫课题组率先合成了一氟氰基茚酮和双氟氰基茚酮,并将氟代氰基茚酮端基引入到稠环电子受体中(J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 1336-1343),目前性能最好的非富勒烯受体均采用氟代氰基茚酮端基。

最近,占肖卫课题组进一步提出侧链和端基同时氟化策略,在分子骨架水平和垂直方向上同时引入氟原子,通过氟原子诱导的多维弱相互作用,构筑紧密的三维分子堆积网络,以实现高效的三维激子传输和电荷传输。基于侧链和端基同时氟化的稠环电子受体FINIC的有机太阳能电池的效率达14.0%,远高于同等条件下无氟代的稠环电子受体INIC的器件效率(5.1%)。具有高效三维激子和电荷传输的稠环电子受体可为有机太阳能电池受体材料的发展提供新的研究思路。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202000645)上。