Small Structures:稠环电子受体的氟代效应

有机太阳能电池具有质量轻、柔性和半透明等突出优点,在可再生能源和柔性电子等领域具有广阔应用前景。其活性层一般由电子给体和电子受体组成。富勒烯受体曾统治有机太阳能电池领域20余年,但终因其弱的可见光吸收、不易调控的电子能级和较差的形貌稳定性而缓缓退出有机光伏的舞台。2015年以来,北京大学占肖卫课题组创建了以被誉为明星分子的ITIC为代表的稠环电子受体这一新颖受体体系(Adv. Mater., 2015, 27, 1170–1174),解决了以富勒烯为代表的传统受体体系无法解决的关键科学问题,突破了有机光伏领域的发展瓶颈,器件效率在短短几年间提升至18%以上,为领域发展带来了前所未有的新机遇,引领有机光伏迈向新时代。

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/双氟氰基茚酮,并将氟代氰基茚酮端基引入稠环电子受体中(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。随后,他们进一步提出侧链和端基同时氟代策略,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,构筑了紧密的三维分子堆积网络,实现了高效的三维激子传输和三维电荷传输(Adv. Mater. 2020, 32, 2000645)。

最近,占肖卫课题组通过在稠环电子受体INIC分子骨架的端基氰基茚酮和侧链己基苯上分别或同时引入氟原子,设计合成了一系列INIC同系物,并系统探究了氟原子取代位置对稠环电子受体性能的影响。研究发现:a)端基氟代红移薄膜的吸收光谱,侧链氟代蓝移吸收光谱。b)端基氟代和侧链氟代均降低分子的前线轨道能级,而端基氟代影响更大。c)侧链氟代不会改变分子的聚集结构,但氟原子的引入会形成分子间氢键,从而形成更加紧密的分子堆积;而端基氟代可以形成更大的π轨道平面和更紧密的分子互穿网络结构。d)端基氟代和侧链氟代都有助于电子传输,而端基氟代效果更明显。氟代受体的有机太阳能电池的能量转换效率为9.6-13.0%,高于无氟受体INIC(7.8%)。仅端基氟代的INIC3和仅侧链氟代的INIC4的器件效率分别为11.6%和9.6%;端基和侧链同时氟代的FINIC的器件效率最高(13.0%)。稠环电子受体的氟代效应可为有机太阳能电池中高性能电子受体材料的分子设计提供理论指导。相关论文在线发表在Small Structures (DOI: 10.1002/sstr.202000006)上。