邓丹研究员，Advanced Materials 观点: 在巨型二聚化受体体系中增强异分子间相互作用实现高效率的有机太阳能电池

第一作者：吕敏

通讯作者：邓丹*

单位：国家纳米科学中心，中国科学院大学

同时实现高光电转换效率和长时间运行稳定性的有机太阳能电池对于目前的材料设计提出很大的挑战。通过小分子受体的二聚化策略构建的巨型受体G-Dimer拥有固定的分子结构，增强的玻璃态转变温度和降低的扩散系数等特点，有望结合小分子受体高效率和聚合物受体高稳定性的优势，是解决这一挑战的有效策略。目前，对于G-Dimers的研究主要集中在通过改进其连接单元增强分子平面性进而改善分子堆积上，且其单体大多为苯并二噻唑核。然而，我们发现最优的器件效率往往不是来自于最佳平面性的分子，而是端基与连接单元之间二面角处于10-20°的分子，同时我们之前的工作发现即使G-Dimer拥有较差的分子有序堆积，其器件仍然可以实现相比于单体增强的电子迁移率。因此，针对高性能N-π-N型G-Dimers的研究，我们认为增强给体与受体异分子之间的相互作用而不是受体同分子的有序堆积是实现高效率有机太阳能电池的关键设计方向。同时，除苯并噻二唑核外，被报道的喹喔啉核小分子受体同样实现了超越18%的效率，但是其G-Dimer的研究非常罕见。

近日，来自国家纳米科学中心的邓丹研究员，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Strengthening the hetero-molecular interactions in giant dimeric acceptors enables efficient organic solar cells”的文章。该观点文章首次提出巨型“N-π-N”型二聚化受体G-Dimer的设计方向为增强异分子之间的相互作用而不是受体同分子间的有序堆积，并证实对G-Dimer单体的中心喹喔啉单元进行三氟甲基化修饰是增强异分子之间相互作用，进而获得高效率有机太阳能电池的有效策略。

我们首先基于高效率小分子受体SM-QX构建其巨型二聚化受体Dimer-QX，但由于其中间给电性连接单元的引入和端基处卤素原子的移除使得分子呈现出降低的平均静电势 (ESP)值，从而与给体PM6之间的静电势差值缩小，给受体间作用力减弱，获得了较差的光电转换效率。由此，我们尝试在单体的喹喔啉核上引入强负电性的三氟甲基基团，设计合成了受体Dimer-2CF，成功增大了其平均ESP值和与PM6之间的静电势差值，在PM6: Dimer-2CF体系中构筑了增强的异分子间相互作用，这一现象通过接触角测试分析的Flory-Huggins相互作用参数被进一步实验验证。同时，由于大位阻的三氟甲基和Dimer-2CF分子内削弱的分子偶极矩，单组份Dimer-2CF中表现出减弱的同分子间有序堆积。

我们采用原位吸收的测试方法分析了两个混合膜成膜动力学的差异，测试表明，PM6与Dimer-2CF之间更强的异分子间相互作用有效抑制了受体分子在成膜过程中的自组装速率，从而促进了其混合膜中更有序的分子堆积，PM6和Dimer-2CF在面外方向均显示出更长的晶体相干长度；同时，红外原子力显微镜测试显示，PM6与Dimer-2CF之间形成了更小的相分离尺度和更多的DA界面；除此之外，低表面张力的三氟甲基基团赋予Dimer-2CF更低的表面能，使受体逐渐往阴极富集，在混合膜中形成了更明显的垂直相分布形貌。小相分离尺度内更有序的组装以及更明显的垂直相分布形貌使得Dimer-2CF为基础的器件表现出更优异的性能。

基于PM6: Dimer-2CF的传统器件实现了19.02%的高光电转换效率和80.62%的高填充因子，远远胜于PM6: Dimer-QX体系14.59%的效率，这主要源于PM6: Dimer-2CF体系中表现出更优异的激子分离效率，更有效且快的空穴转移速率，更高且平衡的电荷迁移率，更长的CT态寿命和降低的双分子复合概率等激子电荷动力学行为特征。紧接着，我们研究了G-Dimers及其对应的小分子受体所构建有机光伏器件的稳定性，我们分别组装了四个体系的传统器件和广泛研究热稳定性使用的反向器件在80 ℃连续加热条件下进行老化测试，G-Dimers体系比对应的小分子表现出明显的热稳定性优势，且通过外延方法得到的T80均可达到ca. 12000小时。同时，G-Dimers为基础的器件在一个太阳光连续照射下均可获得ca. 2800小时的T80值，表明G-Dimer构筑的有机太阳能电池可以实现很好的长时间运行稳定性。

在此工作中，基于喹喔啉中心核的两个G-Dimer被成功设计和合成，三氟甲基化的影响被细致研究。研究表明，三氟甲基化减弱了G-Dimer同分子间有序堆积但显著地增强了给受体异分子间的相互作用，从而成功抑制了受体分子在成膜过程中的过度自组装进程，PM6: Dimer-2CF混合膜中形成了小相分离尺度内更有序的组装及明显的垂直相分布形貌特征，从而表现出更优异的激子动力学行为和电荷性能，最终可获得19.02%的高光电转换效率。且此工作对小分子和G-Dimer的稳定性进行了系统全面的测试，表明G-Dimer为基础的有机太阳能电池可实现更好的运行稳定性。此工作首先提出增强异分子间相互作用在G-Dimer设计中的重要性，且提出三氟甲基化的有效策略，为高效率光伏材料设计提供指导建议。

“Strengthening the hetero-molecular interactions in giant dimeric acceptors enables efficient organic solar cells”

邓丹研 究员简介：国家纳米科学中心研究员。2007年本科毕业于西安交通大学，2011年在中国科学院大学获得理学硕士学位，并于2009-2011年联合培养于中科院化学研究所，导师李永舫院士和张占军教授，2015年在国家纳米科学中心获得理学博士学位，导师为魏志祥研究员，毕业后留在中心先后任助理研究员/副研究员/项目研究员。2017年加入中国科学院青年创新促进会。主要从事于有机光伏/光电材料的分子设计合成与器件制备。相关工作以第一/通讯作者发表在Nat. Commun., Joule， Adv. Mater., Energy. Envision. Sci., Adv. Energy. Mater.等国际重要学术期刊上。

魏志祥 研究员简介：国家纳米科学中心研究员，博士生导师。1997和2000年分别在西安交通大学获得学士和硕士学位，2003年中国科学院化学研究所获得博士学位。之后分别在德国马普胶体界面研究所和多伦多大学从事博士后研究。2006年加入国家纳米中心工作。主要研究领域为有机光电功能纳米材料与柔性器件，研究通过自组装方法制备结构和性能可控的有机光电功能纳米材料，并探索其在手性传感器件、太阳能电池和储能器件等柔性器件中的应用。

投稿请联系contact@scimaterials.cn