Advanced Functional Materials:非对称杂七苯基小分子受体的异构化策略助力高填充因子、高效率非富勒烯基有机太阳能电池

原创署名:论文作者

和传统的富勒烯小分子受体(PC61BM和PC71BM)相比,新型的A-D-A型有机半导体小分子受体(ITIC,M3和IEICO-4F)具有吸收宽,能级可调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。通常来说,具有 A-D-A 结构的 SMA 通常由侧链取代的富电子杂芳烃中心核和两个封端的末端受体单元组成。在中心核方面,共轭延伸、异构化和去对称化等多种分子设计策略早已被应用来微调分子的光学带隙、电化学特性、偶极矩和电子迁移率等特征。其中,中心核的异构化策略长期以来被证明是一种提高 OSC 器件效率的可行方法。

近日,深圳大学杨楚罗教授团队通过系统地移动中心核的子单元发展了三种异构化的小分子受体 (ThPy5,IDTP-4F 和ThPy6,图1)。有趣的是,从 ThPy5、到IDTP-4F 再到 ThPy6,分子的吸收光谱逐渐红移,LUMO 能级逐渐降低,电子迁移率单调增加。相比于ThPy5,由于S•••O的非共价相互作用IDTP-4F和ThPy6 具有更加平整的分子结构和更好的分子取向。基于 PM6:ThPy6 的OSC 实现了 16.11%的器件效率和0.789的填充因子,高于基于 PM6:ThPy5 (PCE = 12.54%; FF =0.710) 和 PM6:IDTP-4F (PCE = 15.02%; FF = 0.757) 的 OSC。

图1: 三个小分子受体的分子设计策略。
图2:(a)ThPy5、IDTP-4F 和 ThPy6 纯膜的 2D GIXD 图案;(b)器件的J-V曲线;(c)基于 A-D-A 型 SMA 的 OSC 的 FF 与 PCE(PCE 超过 12%);

在该工作中,我们仔细分析了分子结构和形态特征之间的关系,然后将它们与器件物理和太阳能电池性能相关联。基于 ThPy6 的器件中最佳的 FF 归因于最佳的宏观因素和形态特征,包括更好的分子堆积、最有效的电荷收集和提取以及最弱的电荷重组。值得一提的是,0.789 的 FF 是基于 A-D-A 型 SMA 的 OSC 的最高值之一(图2)。 

论文信息:

Isomerization of Asymmetric Ladder-Type Heteroheptacene-Based Small-Molecule Acceptors Improving Molecular Packing: Efficient Nonfullerene Organic Solar Cells with Excellent Fill Factors

Zhenghui Luo*, Tao Liu*, Jiyeon Oh, Ruijie Ma, Jinsheng Miao, Fan Ni, Guangye Zhang*, Rui Sun, Cai’e Zhang, Zhanxiang Chen, Yang Zou, Jie Min, Changduk Yang*, He Yan, Chuluo Yang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202203200

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202203200