Advanced Materials:端基非对称取代策略在有机太阳能电池小分子给体材料中的应用

有机太阳能电池(Organic solar cells, OSCs)由于其质轻、可溶液法加工、成本低等独特优点,近几十年受到了广泛的关注和研究。目前,高效率的OSCs 吸光活性层由聚合物给体和小分子非富勒烯受体组成。但聚合物本征的分子量多分散性使得其存在批次差异性,会造成光电转化效率(PCE)的不同,不利于未来的大批量制备。相比之下,全小分子有机太阳能电池,由于其化学结构确定、重复性好和批次差异小等特点,受到了越来越多的关注。但同时,不理想的微相分离形貌也限制了其PCE的进一步提升。给受体类似的A-D-A型结构使得合理的调控相形貌成为较大的挑战,高结晶性和合适的相分离尺度往往相互制衡,造成相对较低的PCE (通常<16%)。针对该系列问题,中科院宁波材料所葛子义团队取得了一系列进展。前期研究结果 (Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2808-2815) 发现,在小分子给体侧基引入双氟原子,能显著改善分子pi-pi堆积、激子解离和电荷传输,最终获得超过13%的光电转化效率。通过进一步优化后处理工艺,全小分子器件PCE进一步提升至15.4%,同时阐释了热退火和溶剂退火对于调整活性层形貌存在不同的运作机理(Adv. Energy Mater. 2021, 2100800)。

近期,中科院宁波材料所葛子义团队在全小分子有机太阳能电池取得了新进展。研究人员首次将端基非对称取代策略运用于小分子给体材料中。通过组合一系列不同吸电子能力的端基—氰基乙酸酯(CA)、罗丹明(Reh)、和茚酮(ID),研究人员设计合成了一系列新型的小分子给体材料SM-CA、SM-CA-Reh、SM-Reh、SM-CA-ID和SM-ID。与小分子受体N3共混时,发现基于SM-CA-Reh:N3的器件整合了SM-CA:N3高填充因子和SM-Reh:N3高电流的特点,最终器件效率从15.41% (SM-CA:N3) 显著提升至16.34%。该效率同时也是目前公开报道的二元全小分子太阳能电池的最高值。而基于SM-CA-ID和SM-ID的器件效率逐渐下降,分别为8.20%和2.76%。通过表征微观的分子堆积和整体的相分布,发现分子的pi-pi堆积是决定相分离形貌的主要因素,而非结晶性或者偶极作用。同时SM-CA-Reh:N3中由于罗丹宁的引入,相尺寸略微增大,但仍保持了SM-CA:N3中较好的相分离网络。这也较好的解释了其对于SM-CA和SM-Reh光伏性能的整合。

博士生葛金峰为第一作者,葛子义研究员为该论文的通讯作者,论文同时得到国家纳米中心魏志祥研究员和华南理工大学黄飞教授团队的支持。该研究得到了国家杰出青年科学基金(21925506)、国家自然科学基金(U21A20331和81903743)等项目资助。

图注:小分子给体材料的端基调控策略和OSC性能

论文信息:

Asymmetric Substitution of End-Groups Triggers 16.34% Efficiency for All-Small-Molecule Organic Solar Cells

Jinfeng Ge, Ling Hong, Houying Ma, Qingrui Ye, Yanwei Chen, Lin Xie, Wei song, Dandan Li, Zhenyu Chen, Kuibao Yu, Jianqi Zhang, Zhixiang Wei, Fei Huang, Ziyi Ge*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202202752

论文链接: https://doi.org/10.1002/adma.202202752