薄志山课题组AEM：简单非稠环电子受体材料效率新纪录- 大数跨境

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薄志山课题组AEM：简单非稠环电子受体材料效率新纪录

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2021-10-22

导读：本文首次设计并合成了基于三芳胺结构的非稠环电子受体材料，其天然的三维分子构型能够保证受体分子的过度聚集，从而提升分子的溶解性。

文章信息

第一作者（或者共同第一作者）：王晓东，路皓

通讯作者（或者共同通讯作者）：薄志山，刘亚辉，唐正

通讯单位：北京师范大学，青岛大学，东华大学

论文DOI： 10.1002/aenm.202102591

全文速览

设计并合成了三种不同共轭骨架长度的非稠环电子受体材料，随着共轭长度的增加，受体材料的摩尔消光系数和共混膜的电子迁移率逐渐增大。此外，单晶结构表明，受体分子堆积机构随着共轭长度的延长可以从2D线形堆积变为3D网状堆积。2BTh-2F在S-N和S-O分子内相互作用的作用下呈现平面分子构象。

基于2BTh-2F:PBDB-T的有机太阳能电池具有14.53%的高功率转换效率。当使用D18作为给体聚合物时，转换效率进一步提高到15.44%，这是基于非稠环电子受体太阳能电池的最高转换效率。

背景介绍

随着有机太阳能电池在过去几年的快速发展，基于稠环电子受体的聚合物太阳能电池光电转换效率已经达到19%，已经到了商业化应用的阶段。相比于稠环电子受体材料，非稠环电子受体材料在合成工艺上更加简单高效，所以具有得天独厚的成本优势。

但是非稠环电子受体的光电转换效率普遍低于15%，相较于稠环电子受体具有巨大的差距，迫切需要开发新型高性能的非稠环电子受体。非稠环电子受体的分子骨架的可旋转的碳碳单键给受体分子构型及聚集态调控带来了挑战。

本文亮点

我们首次设计并合成了基于三芳胺结构的非稠环电子受体材料，其天然的三维分子构型能够保证受体分子的过度聚集，从而提升分子的溶解性。分子内的非共价键相互作用确保了受体分子的平面骨架，使得受体分子电子云更好的离域。

末端吸电子基团与中心单元形成强的分子内电荷转移作用，确保了受体分子的强吸收特性。受体分子的三维堆积结构，促进了受体分子间的电荷传输。这些综合的优点，将非稠环受体分子的光电转换效率提升至前所未有的高度。

图文解析

Chart 1. Chemical structures of 2Th-2F, BTh-Th-2F and 2BTh-2F.

Figure 1. UV-vis absorption spectra of 2Th-2F, BTh-Th-2F and 2BTh-2F in dilute chloroform solutions (a) and as thin films (b). Energy level diagram (c) of PBDB-T, 2Th-2F, BTh-Th-2F.

Figure 2. a) The single-crystal structure of 2BTh-2F; b) the face-to-face distance in the triclinic system; c) the intermolecular interactions between adjacent molecules; d, e) molecular packing along the b-crystallographic axis; f) 3D molecular packing along the b-crystallographic axis; g) 3D molecular packing along the c-crystallographic axis.

总结与展望

我们提供了一种新的非稠环电子受体材料合成策略，通过精心的分子设计将非稠环受体分子的效率提升至15.44%。目前，非稠环电子受体的研究相对较少，我们相信通过合理的分子设计，非稠环电子受体的效率会进一步提升，此外，巨大的成本优势将进一步促使其商业化应用，从而推动有机太阳能电池领域的前进。

心得与体会

我们从事非稠环电子受体的研究已经5年之久，从最初的几乎没有光伏性能，到2017年10%左右的光伏性能（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3356），再到2019年13%左右的光伏性能（Nat. Commun. 2019, 10, 3038），以及我们最近的研究工作进展（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 22714；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 39652-39659）。在这个过程中我们也失败了很多，但是我们始终坚信自己的研究思路，在这里我们希望与大家共勉，坚持自己认为对的事情，你总能够等到柳暗花明的时刻。

参考文献

Y.-N. Chen, M. Li, Y. Wang, J. Wang, M. Zhang, Y. Zhou, J. Yang, Y. Liu,* F. Liu, Z. Tang, Q. Bao, Z. Bo,* Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 22714.

Y. Liu, Z. Zhang, S. Feng, M. Li, L. Wu, R. Hou, X. Xu,* X. Chen, Z. Bo,* J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3356.

X. Wang, H. Lu, J. Zhou, X. Xu, C. Zhang, H. Huang, J. Song, Y. Liu,* X. Xu,* Z. Xie, Z. Tang, Z. Bo,* ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 39652-39659.

H. Huang, Q. Guo, S, Feng, C. Zhang, Z. Bi, W. Xue, J. Yang, J. Song, C. Li, X. Xu,* Z. Tang,* W. Ma,* Z. Bo,* Nat. Commun. 2019, 10, 3038.

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