Small Structures: 吡咯稠环非对称小分子受体助力高性能、低能损的非富勒烯聚合物太阳能电池

与传统的富勒烯小分子受体相比,新型的A-D-A型有机半导体小分子受体 (SMA) 具有吸收宽,能级可调,结晶性能适中和结构易修饰等特点,对于实现低成本高效率的有机太阳能电池来说有着十分重要的意义。A-D-A型SMA通常由三部分组成:侧链,给电子中心核和两个吸电子端基。 与侧链和端基相比,中心核在决定SMA的光伏性能中起着更为重要的作用。开发新型中心核的常用策略包括共轭延伸策略,非对称策略和异构化策略。其中,非对称策略在实现高填充因子和器件效率(PCE)方面显示出巨大潜力,因而其广泛应用于开发新型小分子受体。

选择合适的中心核的外围芳环对于非对称SMA的设计尤为重要,因为外围芳环和末端之间的直接电子离域对SMA的光电性能产生了很大影响。 在大多数情况下,噻吩及其衍生物是最常用的外围芳香环。尽管硒吩和吡咯相对于噻吩在实现高的短路电流和器件效率方面展现了一些优势,但目前只有少数文献报道了基于硒吩的SMA,甚至没有文献报道吡咯作为不对称中心核的外围芳香环。

近日,深圳大学杨楚罗教授课题组和香港科技大学颜河教授课题组合作设计并成功地通过将吡咯和硒吩单元引入中心核中成功合成了两种非对称的小分子受体,即BTN-4F和BTSe-4F。 与硒吩稠合的对应物BTSe-4F相比,BTN-4F由于吡咯中N原子的强供电子能力,分子能级略有上移 (有助于实现高的开路电压),吸收光谱也有明显红移(有利于提升短路电流)。与基于BTSe-4F的器件(PCE = 13.79%)相比,由于同时增强的开路电压,短路电流和填充因子,基于BTN-4F的器件实现了更高的PCE(15.82%)。 据我们所知,15.82%的PCE是基于非对称中心核SMA器件的最高值之一。

在该工作中,基于PM6:BTN-4F和PM6:BTSe-4F器件的能量损失分别计算为0.514和0.579 eV,表明基于吡咯稠环的SMA相对于硒吩稠环的SMA可以明显降低能量损失。相关论文在线发表在Small Structures (DOI: 10.1002/sstr.202000052)上。