Solar RRL:四溴化 Vs. 四氯化:通过非氟化受体材料的分子端基工程策略对材料的聚集性的调控来实现同时具有高开路电压和高短路电流密度的非富勒烯太阳能电池

最近基于非富勒烯小分子受体的聚合物太阳能电池通过合适的小分子受体和高性能的聚合物给体匹配以及器件优化工艺等策略获得了快速的发展。作为A-D-A型小分子受体合成中的最后一步的端基调控通常有助于分子间堆积改善,并且在优化电子和形貌等性质以及增强电荷传输和器件性能方面起着至关重要的作用。与流行的双氟化或双氯化端基功能化的非富勒烯小分子受体相比,尽管基于双溴化端基的非富勒烯小分子受体显示出较低的合成成本并且更易于后修饰的优点,但相应的光伏器件性能还有待提升,急需开发出高性能的双溴化端基功能化的非富勒烯小分子受体体系。

图1: 本文所涉及的多卤化的电子受体材料的分子结构、吸收光谱、循环伏安图等

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香港科技大学颜河教授课题组合作报道了一对新型的具有低带隙的ITIC系列A-D-A 型非富勒烯小分子受体,TSeIC4Cl和TSeIC4Br,它们核心为引达省并二噻吩并[3,2-b]硒吩,端基分别为双氯代氰基茚酮和双溴代氰基茚酮,以此系统地研究双氯或双溴端基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。与四氯化TSeIC4Cl相比,四个溴原子替换四个氯原子造成TSeIC4Br的吸收光谱红移和LUMO轨道能级上移。另一方面,PM6:TSeIC4Br混合膜与PM6:TSeIC4Cl混合膜相比,具有更加平衡的电荷输运能力、更加合适的微观形貌和更加明显的face-on晶体堆积取向。最终通过器件优化,基于PM6:TSeIC4Br光伏器件的最高效率为11.92%,而基于PM6:TSeIC4Cl为活性层的光电转换效率仅为11.13%。这些结果表明引达省并二噻吩并[3,2-b]硒吩的核心对窄带隙的溴代非富勒烯小分子受体实现高性能具有积极作用,而且表明双溴端基与双氯端基相比,在构建高效的非富勒烯小分子受体方面更具有优势。这些结果也为合成高性能多卤化的电子受体材料提供了一种低成本的结构修饰策略。相关成果以“Tetrabromination versus Tetrachlorination: A Molecular Terminal Engineering of Nonfluorinated Acceptors to Control Aggregation for Highly Efficient Polymer Solar Cells with Increased Voc and Higher Jsc Simultaneously” 为题发表在近期的Solar RRL 上(DOI:10.1002/solr.202000212)。

该部分研究工作受到国家自然科学基金面上项目、国家海外高层次人才引进计划青年项目、北京理工大学特立青年学者计划等项目的资助。