Small:醌式的缺电子中心单元调控策略使得基于非稠环核心的A1-D-A2-D-A1型电子受体的聚合物非富勒烯太阳能电池同时实现高开路电压和高能量转化效率

最近聚合物太阳能电池通过合适的给受体匹配和器件优化工艺从而得到了快速发展。然而,一些基于较大稠环核心的A–D–A非富勒烯小分子受体材料通常需要相对复杂的合成路线和步骤,并且往往具有较低的溶解度和较强的自聚集能力,这些都限制了这类材料的后续实际应用前景。在先前报道中,基于分子内弱相互作用构筑的非稠环或部分非稠环核心的电子受体可以有效优化材料合成路线以及调控材料的结晶性和溶解性,从而获得不错的光伏性能。这类研究大多数采用分子内S-O等弱相互作用来实现分子内锁环的目的,这也不可避免的引入富电子模块,导致受体材料本身的HOMO能级抬高,进而难与深HOMO能级的聚合物给体匹配,最终显示出相对较低的开路电压,不利于该类材料器件性能的进一步提升。

图1: 本文所涉及的两种非稠环核心的A1-D-A2-D-A1型受体材料的分子结构

最近北京理工大学化学与化工学院的王金亮教授课题组与沙特阿拉伯阿普杜拉国王科技大学Derya Baran教授课题组合作报道了一类基于醌式缺电子中心单元的非稠环核心构筑的A1-D-A2-D-A1型电子受体材料(BO2FIDT-4Cl和BT2FIDT-4Cl)的合成并系统的研究了中心缺电子单元的变化对该类受体材料的光谱和电荷传输性质、薄膜形貌、光电转化效率等方面的影响。相关成果以“Electron-Deficient and Quinoid Central Unit Engineering for Unfused Ring-based A1-D-A2-D-A1-Type Acceptor Enable Highly Performance Non-Fullerene Polymer Solar Cells with High Voc and PCE Simultaneously” 为题发表在近期的Small上(DOI:10.1002/smll.201907681)。上海交通大学刘烽教授课题组以及南方科技大学何凤教授课题组在形貌表征方面和聚合物给体方面给予了大力的帮助。

图2: 文献中已报道的和本文中所涉及的非稠环电子受体材料构筑的二元光伏器件的光伏效率与开路电压关系图

该类A1-D-A2-D-A1型的非稠环电子受体材料(BO2FIDT-4Cl和BT2FIDT-4Cl)以双氯代氰基茚酮作为缺电子端基A1和引达省并二噻吩(IDT)作为富电子片段D,分别以具有醌式特性的双氟代苯并噁二唑和双氟代苯并噻二唑作为中心缺电子单元A2(图1所示)。研究表明,由于中心缺电子单元的引入,两个受体材料都显示了较深的HOMO能级(≤-5.70 eV)。此外,BT2FIDT-4Cl还有着更红移的薄膜吸收和更窄的光学带隙(1.56 eV)以及稍高的LUMO能级。该类材料和聚合物给体PM7共混膜构筑的聚合物太阳能电池的光伏性能测试结果表明,基于PM7:BO2FIDT-4Cl和PM7:BT2FIDT-4Cl共混膜的器件的开路电压分别为 0.96 V和0.97 V。最终通过器件优化,基于PM7:BT2FIDT-4Cl的光伏器件的最高效率为12.5%,而基于PM7:BO2FIDT-4Cl为活性层的光电转换效率仅为10.4%。基于PM7:BT2FIDT-4Cl的光伏器件的高效率主要归功于双氟代苯并噻二唑的引入使其具有更加平衡的电荷输运能力和更加合适的微观形貌。需要指出的是,12.5%的光伏效率是基于非稠环核心的电子受体构筑的二元高开路电压器件(开路电压大于0.9 V)体系中的光伏效率最高值(图2所示)。这些结果表明,基于双氟代苯并噻二唑为核心的非稠环核心小分子受体在有机薄膜太阳能电池中有着巨大应用潜力。综上,适当调节醌型缺电子中心单元是一种有效的构建高性能的非稠环核心小分子受体材料的策略,最终实现了基于该类材料光伏器件的光伏效率和开路电压的共同提升。这些都为合成高性能的非稠环核心的电子受体材料提供了一种非常好的策略。