Advanced Energy Materials:三维网络结构在有机太阳能电池受体材料中的应用

有机太阳能电池以很快的速度突破了18%的光电转化效率,具有很大的应用前景。为了进一步推动此行业的发展,需要从原子层面上理解材料的堆积信息,帮助理解分子不同物理化学性能的内在原因,从而设计具有更高性能的小分子受体。在此综述里,研究者总结了大部分具有确定晶体数据的受体材料,讨论了分子的结构设计,堆积方式以及性能之间的关系。另外,研究者提出了“三维网络堆积”的概念,在此类材料里,电子可以沿着xyz三个方向规整的π-π堆积进行传输,从而增加了材料的迁移率,进一步提高其光电性质。另外文章也讨论了在受体材料中遇到的一些单晶方面的问题,强调了如何通过现有的单晶信息来理解和调整分子间相互作用力以及聚集状态,从而实现更高效的受体材料的定向合成与设计。

目前,单晶解析已经应用于探索PDI类型,A-D-A类型,A-D-A-D-A类型以及非稠环的受体材料。研究者讨论了PDI类型的同分异构体对分子堆积的影响,从而影响其器件性能。在A-D-A类型里,研究者发现了氯取代的受体具有规整的J聚集行为,这是由于分子间多重强有力的Cl-S等相互作用造成的。另外,研究者在氯取代的同分异构体体系中提出了三维网络堆积的概念,由于氯在端基取代位置的不同,引起了分子从二维线性堆积到三维堆积的转变。在大原子溴取代的体系里,也发现了三维网络堆积行为。另外,卤素在端基取代的数量增加会显著提升分子间的电子耦合;烷基链在核上的长度增加会使分子具有更规整的聚集行为等,从而提升性能。此外,分子的核越大不一定对分子的堆积有好处,因为A-D-A类型的分子堆积是靠端基与端基之间的相互作用进行的。星型状的分子由于其端基数量更多会比线性分子具有更好的堆积。另外文章也讨论了一些不对称和非稠环分子的堆积排列情况。在最近兴起的高效率A-D-A-D-A类型受体材料里,研究者首次解出了三氟甲基取代的受体分子的单晶结构,发现这类分子的堆积情况与之前的体系有所不同。在A-D-A体系中,分子间是通过端基与端基之间的π-π相互作用堆积的,形成了J聚集体;而在A-D-A-D-A的单晶中,研究者发现分子间不仅存在端基与端基之间的J聚集,还有核与核之间的堆积,形成了H聚集体,因此A-D-A-D-A体系分子间的堆积是H/J聚集协同作用形成的,可以形成更多电子跳跃传输的结点,有利于电荷在分子间的高效传输。

研究者们相信,探索光电材料的微观堆积信息会对材料的性质有更进一步的认识,通过调控分子的聚集状态以及分子间相互作用,可以为新型高效的光伏材料发展提供新的思路。相关论文在线发表在国际材料期刊Advanced Energy Materials(IF =25.2)上,DOI: 10.1002/aenm.202002678,第一作者为南方科技大学-哈尔滨工业大学联合培养博士生赖寒健,通讯作者为南方科技大学化学系教授何凤。