北京師範大學薄志山《Angew》：合成簡單，效率又高，精簡受體小分子也可以很出彩

2020-09-06 高分子科學前沿

自Y6受體分子問世，其高效率成功吸引眾多業內工作者，因此也開始「Y系列」受體分子的改進與修飾，目前基於「Y系列」受體分子的最高效率接近18%，熔融環受體分子的設計佳作頻出，但完全非熔融環受體分子的發展卻略顯緩慢，因此，北京師範大學薄志山課題組設計併合成了2種完全非熔融環受體o-4TBC-2F和m-4TBC-2F，通過調節己基氧基鏈的位置控制分子扭曲程度，以此影響分子聚集體的形成，以PBDB-T為給體，基於o-4TBC-2F共混膜具有高電荷遷移率、低能量損失和高PCE值（10.26%），遠高於m-4TBC-2F（2.63%），是目前報導基於完全非熔融環受體PCE值最高的器件之一，為全非熔融環受體的發展再次打通一條新的方向！相關成果以「A De Novo Design of Fully Non-fused Ring Acceptor with Planar Backbone and Near-IR Absorption for High Performance Polymer Solar Cells」為題於2020年8月31日發表於《Angew》

如圖1是2個分子的結構，可以發現受體分子具有如下潛在優勢：[1]平面主鏈有利於π-電子離域；[2]平面分子促進分子間π-π相互作用，進而促進電荷運輸；[3]側鏈垂直取代防止分子過度聚集；[4]4個側鏈為受體提供良好的溶解性，從而使得共混膜具有良好形貌。更重要的是，在熱退火之後，o-4TBC-2F分子誘導產生J-聚集，最近的相關研究表明，J-聚集和其他類型的分子間相互作用有助於構建3D網絡結構，使得電荷空穴傳輸途徑增加，傳輸效率得以提升。

圖1 o-4TBC-2F、m-4TBC-2F受體分子結構示意圖

[圖文速遞]

圖2 熱退火前後o-4TBC-2F和m-4TBC-2F薄膜的吸收光譜

圖3 DFT計算分子幾何構型。從側面看，o-4TBC-2F分子主鏈是平面狀態，而m-4TBC-2F分子主鏈扭曲，由於烷氧基位置不同，與主鏈的二面角分別為74°、46°；俯視圖觀察2個中心噻吩單元的二面角分別為10°、57°，非取代噻吩和側鏈取代噻吩的二面角分別為3°、10°

圖4 歸一化FTPS-EQE光譜。PBDB-T:o-4TBC-2F和PBDB-T:m4TBC-2F的EUs分別為27.24和38.74meV，PBDB-T:o-4TBC-2F共混膜的EU降低了24.51meV，表明PBDB-T:o-4TBC-2非輻射能連損耗較低，有助於Jsc與Voc之間的平衡

圖5 純膜與共混膜GIWAXS測量。純o-4TBC-2F和m-4TBC-2F薄膜採用隨機的分子取向，無可見（010）和（100）衍射峰；熱退火後，純o-4TBC-2F薄膜出現（010）和（100）衍射峰，表明熱退火可以進一步促進o-4TBC-2F的分子堆積行為；對於共混膜，PBDB-T:m-4TBC-2F具有非晶態特徵，在OOP方向出現微弱（010）峰，而PBDB-T:o-4TBC-2F共混物表現出更好的結晶特性，π-π相互作用更強；熱退火後，PBDB-T:o-4TBC-2F共混膜的二維衍射特徵明顯，一維譜圖出現明顯（010）峰，表明PBDB-T:o-4TBC-2F共混膜具有明顯的長程有序性和擇優取向面，有助於電荷輸運

圖6 PBDB-T:o-4TBC-2F和PBDB-T:m-4TBC-2F共混膜的AFM和TEM圖像。PBDB-T:m-4TBC-2F薄膜形成均勻的表面形貌，相比之下，PBDB-T:o-4TBC-2F薄膜中形成了具有微小纖維的納米級相分離，熱退火後這種現象更加明顯；TEM中，PBDB-T:o-4TBC-2F薄膜具有清晰的互穿網絡結構，有助於激子離解和電荷傳輸，而PBDB-T:m-4TBC-2F薄膜，無法觀察到納米纖維

[小結]

本文避開複雜的合成過程，設計了2個完全非熔融環受體分子，雖僅僅改變側鏈烷氧基的位置，但是2個分子的扭曲程度完全不同，o-4TBC-2F分子發生有利的J-聚集。目前，完全非熔融環受體分子的效率仍有很大的提升空間，精簡的設計也能帶來驚喜，受體分子的發展前景依然明亮，在實現高PCE的過程中，道路不只一條，每一條路上都充滿驚喜，相信在眾多行業工作者的奇思妙想下，有機太陽能電池的前景，一片明朗！

來源：高分子科學前沿

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