JPCL | 有机太阳能电池中二维给体单元结晶度与载流子输运的构效关系研究- 大数跨境

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2024-01-16

导读：包西昌研究员联合孙明亮教授等设计了一个环己烷取代的二噻吩[3,2-f:2’,3’-h]喹诺啉（DTQ）基受体单元，成功地破坏了受体部分结晶作用和电荷输运，为研究二维给体单元的构效关系提供了直接证据

英文原题：Structure-activity relationship between crystallinity and carrier transport of two-dimensional donor units in organic solar cells

通讯作者：包西昌，中国科学院青岛生物能源与过程研究所；孙明亮，中国海洋大学

作者：Kang, Xiao (康笑); Bi, Fuzhen (毕福珍); Ding, Xiqiang (丁喜强); Zhao, Yu (赵钰); Wang, Jianxiao (王剑晓); Sun, Mingliang* (孙明亮); Bao, Xichang* (包西昌)

背景介绍

D-A策略是有机光伏领域设计高性能共轭材料的最重要途径之一，而苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩（BDT）及其衍生物在构建高性能聚合物方面做出了重要贡献。普遍认为，在大多数D-A共聚物中，受体单元在决定材料加工和器件性能方面起着决定性作用，而给体单元通常起辅助作用，作用不显著。由于会受到受体单元的强相互作用的影响，很少有明确的指导策略来教导我们如何选择合理给体单元。

文章亮点

图1. (a) PQH-BTF,PQH-BTCl和PQH-BFCl的结构；(b) 聚合物纯膜GIWAXS

为了明确二维给体单元的构效关系，包西昌研究员联合孙明亮教授等设计了一个环己烷取代的二噻吩[3,2-f:2’,3’-h]喹诺啉（DTQ）基受体单元，成功地破坏了受体部分结晶作用和电荷输运。该团队以三种典型的二维给体单元BDT-ThF、BDT-ThC和BDF-ThCl为基础，合成了PQH-BTF、PQH-BTCl和PQH-BFCl三种不同的聚合物。

研究发现，在破坏了受体单元的结晶和电荷输运后，材料表现出明显的差异性，证实了不同二维给体单元在设计聚合物中的真实作用。主链BDF表现出比BDT更强的分子间相互作用，而侧链ThF表现出比ThCl更高的结晶能力。更有趣的是，在二维给体体系中，分子主链倾向于构建混相结晶（D-A结晶），而侧链倾向于表现出纯相结晶（D-D结晶）的能力。不同的结晶导致不同的激子输运：纯相结晶有利于减少陷阱复合，而混相结晶有利于减少双分子重组。此外，本文对共混性和结晶度之间的关系进行了研究，对Huggins参数（χ）与材料性质之间的内在关系有了更深的理解。Χ参数反映了相互作用水平，如果χ系数过低，则可能由于一方相互作用不足而导致电荷转移不良。

图2. 三种聚合物在给受体界面上的分子堆积示意图

总结与展望

在受体单元中引入环己烷可以有效地破坏结晶和电荷输运，为研究二维给体单元的构效关系提供了直接证据，给体单元中基本嵌段的真正作用得到了深入的理解。总之，给体单元设计在D-A共聚物体系中起着至关重要的补充作用。这项工作有助于在制备D-A共聚物时更准确地选择供体单元。相关论文发表在期刊J. Phys. Chem. Lett.上，中国海洋大学博士研究生康笑为文章第一作者，包西昌研究员和孙明亮教授为通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Structure–Activity Relationship between Crystallinity and Carrier Transport of Two-Dimensional Donor Units in Organic Solar Cells

Xiao Kang, Fuzhen Bi, Xiqiang Ding, Yu Zhao, Jianxiao Wang, Mingliang Sun*, and Xichang Bao*

J. Phys. Chem. Lett. 2024, 15, 514–524

Publication Date: January 9, 2024

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c02999

（本稿件来自ACS Publications）

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