Advanced Functional Materials:精确控制噻吩氯取代受体的结构-性质关系

有机太阳能电池( Organic Solar Cells,OSCs )具有成本低、重量轻、柔性、加工方法多样等优点,被认为是新一代太阳能电池的理想选择。近年来,通过对结构的设计和材料的改性,有机太阳能电池的性能正在不断提升,基于非富勒烯受体( NFAs )的器件已经达到18%的高能量转换效率( PCE ),而从这些高效的NFAs结构可知,在对这一类稠环受体分子进行性能提升时,优化其结构单元,调整烷基侧链以及卤素原子的引入都不失为常用的改性方法,其中,氯元素的取代,因其简单有效的特点而深受肯定。

基于此,南方科技大学何凤教授课题组报导了一对氯元素取代位置不同的异构体分子,从分子平面性,晶体结构,光电性能等多角度进行对比,分析了结构设计对材料性能的影响。该课题组合成了侧链为正己基噻吩且拥有取代位点的分子BTIC-4Cl-T,随后精准的对该分子进行氯原子取代,根据氯原子在噻吩的取代位置(β/γ位)不同,得到互为同分异构体的两分子BTIC-4Cl-TCl-β 和 BTIC-4Cl-TCl-γ,成功合成的三分子在器件测试结果中表现出明显的性能差异。其中,基于β位置氯取代的BTIC-4Cl-TCl-β分子受体材料制备的器件呈现出最优越的光伏性能,相应的器件效率为15.56%。而BTIC-4Cl-TCl-γ尽管拥有高于BTIC-4Cl-T(10.86%)的PCE,但其器件效率仅为14.35%。这表明,氯原子取代是制备高性能稠环小分子受体材料的有效策略。

Figure 1. (a) The structures of BTIC-4Cl-T, BTIC-4Cl-TCl-β and BTIC-4Cl-TCl-γ. The single crystal structures of BTIC-4Cl-TCl-β (b) and BTIC-4Cl-TCl-γ (c), the torsion angles are 29.3° and 0.49° between the P1 and P2 panels, respectively.

值得注意的是,如图一 (Figure 1b, 1c)所示,氯取代后的两异构分子其平面性有着极大的不同,BTIC-4Cl-TCl-γ分子骨架相对平整,其扭转角仅为0.49 o,而BTIC-4Cl-TCl-β分子则因氯原子更大的位阻效应,导致骨架发生大幅扭转,扭转角达到了29.3o。图二(Figure 2)向读者展示了两异构分子的单晶结构,可以看出BTIC-4Cl-TCl-γ是以分子间的π-π相互作用形成的3D孔洞式网络结构,而BTIC-4Cl-TCl-β由于分子骨架不平整型的原因,以分子间π-π相互作用和S…S非共价键相互作用协同形成了独特的准3D网络结构。这种结构的新颖性和独特性不仅保证了电子的有效传输,使材料维持较高的电子迁移率,更使得基于BTIC-4Cl-TCl-β分子制备的器件收获了更优秀的光伏性能。

Figure 2. The single-crystal structures of BTIC-4Cl-TCl-γ (a, c and e) and BTIC-4Cl-TCl-β (b, d, and f). (The hexane and butyloctyl group chains were ignored for clarity.)

如图三(Figure 3)所示,BTIC-4Cl-TCl-β实现了VOC和JSC的同步提升,独特的晶体结构使得基于BTIC-4Cl-TCl-β的器件表现出了高开路电压,电压低能量损失的优秀性能。这样的结果表明,氯原子取代不仅可以有效提高材料的光伏性能,而精准的取代位置调控,还可以实现异构体分子之间物理化学性质和光伏性能的同步改变。

Figure 3. The J-V characteristics (a), EQE spectra (b) of devices based on BTIC-4Cl-T, BTIC-4Cl-TCl-γ and BTIC-4Cl-TCl-β.

综上,该课题组成功设计并合成的三个受体分子充分的证明了氯元素取代策略在制备高性能受体材料方面的积极作用,并且新颖的选择了对烷基侧链进行氯元素取代,从位阻效应,异构效应的角度讨论了结构设计与材料性能之间的关系,为该领域设计新的高性能材料提供了帮助。

南方科技大学博士生谭璞为第一作者,共同一作为南方科技大学-哈尔滨工业大学联合培养博士生刘龙珠和南方科技大学化学系博士后陈子毅,南方科技大学化学系何凤教授为唯一通讯作者。

论文信息:

Structure–Property Relationships of Precisely Chlorinated Thiophene-Substituted Acceptors

Pu Tan, Longzhu Liu, Zi-Yi Chen, Hanjian Lai, Yulin Zhu, Hui Chen, Nan Zheng, Yuanzhu Zhang, Feng He*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202106524

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202106524