科学材料站
文 章 简 介
近年来，基于稠环电子受体（FREAs）的有机太阳能电池（OSCs）取得了显著进展。然而，这些FREAs（如Y6和IT-4F）的复杂合成、低产率和高成本等问题，为它们的进一步商业化应用设置了障碍。为了降低受体材料成本，非稠环电子受体（NFREAs）逐渐受到更多关注。尽管如此，基于NFREAs的OSCs的功率转换效率（PCE）仍然保持在17%左右，这对高性能NFREAs的设计构成了挑战。与FREAs相比，NFREAs在其分子骨架中具有C-C单键，这导致分子骨架的刚性和结晶度较低。因此，进一步优化分子设计、增强分子平面性和提高结晶度，已成为进一步提高NFREAs光伏性能的关键因素。在前期的工作中我们团队在非稠环领域的分子设计和器件方面开展了系统的研究（Nat Energy, 2024. DOI:10.1038/s41560-024-01564-0; Adv. Mater. 2024, 36, 2307292; Adv. Mater. 2024, 36, 2310362; Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2102591; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 22714; Nat. Commun. 2019, 10, 3038; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3356）。
在这项工作中，受到超分子化学的启发，我们旨在利用分子间偶极-偶极相互作用诱导非稠环环电子受体（NFREAs）有序自组装成紧密堆积结构。为了实现这一目标，我们创新性地设计了两种NFREAs，即412-6Cl和412-6F。这两种受体通过在其侧链引入卤素原子，有效地增强了分子间偶极-偶极相互作用。值得注意的是，412-6F表现出优异的结晶性、平面骨架结构和显著减小的层间间距，这些都是由于强烈的F-O偶极-偶极相互作用。同时，其结晶性和电荷传输迁移率也得到了显著提高。当与D18共混时，形成的D18:412-6F薄膜显示出更高的结晶性和显著的纳米纤维结构，最终在器件中实现了超过18%的光电转换效率。此外，412-6F的材料成本显著低于传统的高性能共轭环电子受体，如Y6。总之，通过巧妙地利用分子间偶极-偶极相互作用，我们成功开发了一种成本效益高的NFREA，实现了非稠环电子受体的光伏性能突破。
图1. Table of Contents
图2. The synthetic route of 412-6Cl and 412-6F.
图3. Molecular conformations and packing structures of 412-6Cl and 412-6F in single crystals.
图4. (a) UV-vis absorption spectra of 412-6Cl and 412-6F in chloroform solutions and as thin films; (b) J–V curves, (c) EQE curves, (d) dependence of JSC on light intensity (e) dependence of VOC on light intensity and (f) Jph - Veff curves of the OSCs based on 412-6Cl and 412-6F; (g) hole-only and (h) electron-only devices based on D18 acceptors; (i) Recently reported photovoltaic performance statistics of OSCs based on NFREAs.
图5. TEM and AFM phase images of D18:412-6Cl and D18: 412-6F blend films.
图6. (a-d) GIWAXS patterns of the pristine and blend films. (e) The out-of-plane line-cuts from the GIWAXS patterns.
图7.（a), (d) In situ 2D UV−vis absorption profiles of two blend systems during spin coating. (b), (e) In situ UV−vis absorption line profiles of two blend systems during spin coating. (c), (f) Time evolution of peak location and intensity of acceptors and D18.
科学材料站
文 献 总 结
这项研究成功设计和合成了两种非稠环环电子受体，分别是412-6F和412-6Cl，分别通过氟和氯取代基进行修饰。单晶分析显示，412-6F具有平面分子骨架，并在侧苯基上的氟原子和末端基团上的羰基氧原子之间存在明显的偶极-偶极相互作用。这种特定的相互作用促进了末端基团的紧密堆积，从而减小了层间间距。在D18:412-6F混合薄膜中观察到良好的结晶性和晶体相干长度。相反，412-6Cl采用了一种更扭曲的构型，并且缺乏这些相互作用。因此，基于D18:412-6F的有机太阳能电池（OSC）实现了18.03%的光电转换效率，超过了D18:412-6Cl OSC的性能。这强调了设计具有分子间相互作用的新型受体以增强OSC效率的重要性，从而为有机光伏技术的进步提供了新的方向。
科学材料站
作 者 简 介
第一作者（或者共同第一作者）：郑新明，蒋晓林
通讯作者（或者共同通讯作者）：薄志山，刘亚辉，路皓
论文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202412854
科学材料站
通 讯 作 者 简 介
薄志山教授
本文通讯作者，吉林大学学士、硕士、博士，德国柏林自由大学和美国北卡州立大学博士后，2002 年任中国科学院化学研究所研究员，2002 年获得基金委“杰出青年科学”基金支持，教育部长江学者特聘教授（2015-2020），教育部长江学者创新团队带头人，能量转换与存储材料北京市重点实验室主任。主要从事共轭聚合物光电功能材料的合成与性能研究，在国际重要学术期刊发表学术论文 300 余篇，包括Nat. Energy, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. China Chem., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Mater., Macromolecules等高水平论文。
刘亚辉教授
青岛大学本文通讯作者，青岛大学教授，山东省优青，山东省青年泰山学者。2013 年本科毕业于北京师范大学获得学士学位。2018 年博士毕业于北京师范大学获得博士学位，师从北京师范大学薄志山教授。2020 年加入青岛大学纺织服装学院，功能染料与应用技术研究院核心成员，硕士生导师，主持国家青年基金、面上项目等。研究方向：有机光电材料与器件，如有机太阳能电池关键材料、钙钛矿太阳能电池空穴传输材料等，开发了多种非富勒烯受体材料，共轭聚合物给体材料等。至今发表 SCI 论文 70 余篇，包括J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. China Chem., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Mater., Macromolecules等高水平论文。
路皓副教授
青岛大学本文通讯作者，硕士生导师，青岛大学特聘教授。2022 年 6 月博士毕业于北京师范大学。2022 年入职青岛大学，现为青岛大学材料科学与工程学院高分子材料系副教授，同时任职于青岛大学功能染料与应用技术研究院，长期从事有机光伏材料与器件的研究。以第一作者/共同一作/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., Advanced Materials，Advanced Energy Materials, Advanced Functional Material, ACS Energy Letter, Chemical Engineering Journal, Science China Chemistry 等学术期刊上发表 20 多篇研究论文，多篇论文被杂志高亮报道。
科学材料站
课 题 组 招 聘
招 聘 启 事
青岛大学功能染料与应用技术研究院高薪诚聘博士后若干人，课题组网址：https://www.x-mol.com/groups/gnrlyyyjs，课题组致力于光电材料与器件的研究，包括太阳能电池材料、器件物理、钙钛矿太阳能电池、发光二极管和柔性可穿戴器件等，有意者请联系：liuyh@qdu.edu.cn
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
SCI钠离子电池交流群
SCI离子交换膜经验交流群
SCI燃料电池交流群
SCI超级电容器交流群
SCI水系锌电池交流群
SCI水电解互助群
SCI气体扩散层经验交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点分享
点赞支持
点在看