Advanced Energy Materials:调控受体氟化程度优化非富勒烯有机太阳能电池垂直相分离并提升效率

研究背景

近年来,基于非富勒烯受体(none-fullerene acceptor,NFA)的体异质结(bulk heterojunction,BHJ)有机太阳能电池(organic solar cells,OSCs)因其具备良好的可溶液加工性、相位稳定性、低成本、机械柔性、可扩展性和高效的能量转换效率(power conversion efficiency,PCEs)而受到人们的广泛关注。目前,提升PCE的策略包括增加给体电离势,降低受体电子亲和,缩小和匹配给受体带隙,以及提高载流子迁移率。在上述策略中,NFA电子受体端基(end group,EG)的功能化,特别是卤化方法,可以有效调节分子能带和光学参数,并且能够进一步调控活性层薄膜形貌。具体来说,在不同的卤化类型中,氟化可以有效地调节受体吸电子能力、提高捕光能力、降移分子能级以及促进纳米级聚集,从而受到研究者的广泛关注。然而,针对不同程度的受体氟化影响NFA分子的电学性能、晶体结构堆积、活性层形貌以及性能指标的系统研究仍然缺失,从而进一步阻碍了基于NFAOSC的性能提升。

文章概述

电子科技大学于军胜课题组与美国西北大学Tobin Marks课题组通过系统性地调控受体氟化程度,实现了基于NFA的OSC在形貌、垂直相分离的优化以及性能方面的极大提升。在本工作中,研究者们报告了三种新型的具有可调EG氟化的A-DAD-A型NFAs,即从不含氟的BT-BO-LIC到中等氟化的BT-BO-L2F,再到高度氟化的BT-BO-L4F。这些NFAs有共同的BTP核心,与广泛研究的Y6受体相同,但末端被萘吸电子EGs封顶。通过对OSC活性层A-DAD-A非富勒烯受体在膜结晶度、供体-受体分布、电荷传输特性和电池性能等方面进行系统性表征,发现通过在EG单元增加氟密度,基于含氟最多的BT-BO-L4F的反型器件具有最佳的形貌和垂直相分离,且PCE实现了从9%到16.81%的飞跃。这归因于NFA逐步氟化作用所诱导产生的最优活性层形貌。这种显著的形貌调控与BT-BO-L4F分子间更紧密的p-p堆积和BHJ薄膜良好的垂直相分离有关。由此产生的形貌能够创造多维电荷传输通道,有效地促进激子解离,提供更平衡的电子和空穴迁移率,还可以抑制单分子和双分子的重组。该研究基于NFA中可控氟化终端的调控探索了其对OSC性能的影响,在进一步阐明EG功能化机理和促进高性能OSC的进一步发展方面具有重要的指导意义。

图文导读

图1.(a)给体聚合物PM6的化学结构式。(b)本研究中受体的化学结构。(c,d)受体在薄膜和溶液中的归一化光吸收光谱。(e)本研究所使用的反型OSCs各层材料的能级图。可以看出,与氟化受体BT-BO-L2F和BT-BO-L4F相比,BT-BO-LIC薄膜吸收光谱有轻微的蓝移,三者溶液中的吸收光谱基本一致;从能级图可以看出,三个受体的HOMO和LUMO都随着EG氟化密度的增加而降低。
图2. BT-BO-LIC、BT-BO-L2F和BT-BO-L4F的单晶结构和分子堆积方式。从BT-BO-LIC、BT-BO-L2F和BT-BO-L4F的晶体结构可以看出,氟化程度最高的受体ð-ð叠加距离最短,这说明更大的EG氟化增强了分子间的相互作用,促进了相应BHJ薄膜的总体结晶度。
图3. PM6:BT-BO-LIC、PM6:BT-BO-L2F和PM6:BT-BO-L4F共混膜的(a)AFM高度图像(5 ìm ´ 5 ìm),(b) TEM图像,(c) 2D-GIWAXS图像。薄膜形貌表征表明BHJ共混薄膜中有更均匀的表面和更好的相分离,并且共混薄膜中高度氟化受体的结晶度最高。

论文信息:

Systematically Controlling Acceptor Fluorination Optimizes Hierarchical Morphology, Vertical Phase Separation, and Efficiency in Non-Fullerene Organic Solar Cells

[Xiaohua Zhang, Guoping Li, Subhrangsu Mukherjee, Wei Huang, Ding Zheng, Liang-Wen Feng, Yao Chen, Jianglin Wu, Vinod K. Sangwan*, Mark C. Hersam*, Dean M. DeLongchamp*, Junsheng Yu*, Antonio Facchetti*, Tobin J. Marks*]

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202102172

原文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202102172