香港科技大學&廣西大學《Angew》: 新思路！中帶隙非富勒烯受體材料設計
2024-10-18 11:55:47
作者： 材料科學與工程 來源： 材料科學與工程
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目前，隨著國家碳中和政策的不斷深入推進，光伏產業(PVs)越來越受到學術界和工業界的密切關注。有機太陽能電池 (organic solar cells, OSCs)，作為第三代光電轉換技術，已實現單結器件19%以上，并且> 20%的疊層器件的功率轉換效率 (PCE)，達到工業應用的基本性能要求。然而，相較于其他已商業化的高性能太陽能電池，有機太陽能電池較低的開路電壓（VOC）極大的限制了其光電轉換效率的進一步提升，是當前有機太陽電池行業發展急需攻克的一個問題。因此，發展高性能中帶隙非富勒烯受體材料成為突破發展瓶頸的一個必要之舉。有機半導體材料最大的優勢就在于可以通過合理的結構設計來調節分子內的電荷轉移(intramolecular charge transfer, ICT)效應，從而調節分子的本征光譜吸收以及堆積性質。鑒于目前最為主流的Y-系列小分子受體，我們在之前的工作中已經成功開發出β-噻吩烷氧基取代策略，削弱ICT效應從而將光譜吸收峰藍移至750 nm左右 (Adv. Mater. 2024, 2405404; Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003141)。與此同時，香港科技大學顏河研究團隊在端基設計上積累了大量的研究成果（端基氟化策略：Angew. Chem. 2021, 133, 10225-10234; Joule. 2021, 5, 1548-1565; 給/拉電子效應并存端基策略：Nano-Micro Lett. 2024 16, 30; Small. 2024, 2402793）。基于以上研究成果，高性能中帶隙非富勒烯受體材料得以不斷被開發出來，并應用于構建高性能三元光伏器件與室內光伏體系中。近期，來自香港科技大學與廣西大學的學者們報道了一種新穎的端基設計思路，重點研究了在苯環端基上給電子的甲氧基和吸電子的鹵素原子的位置變化對偶極矩的影響。結果顯示，基于γ-甲氧基和β-鹵素原子的新型苯環端基 (IC-ClO &IC-BrO)，能夠有效地減少了偶極矩和末端基團的電子密度，進而削弱分子內電荷轉移效應。基于以上端基，結合不對稱端基策略，我們成功合成了兩種新型不對稱中帶隙受體（BTP-2FClO & BTP-2FBrO）。結果，基于PM6: BTP-2FClO體系的光伏器件取得了超過0.96 V的高VOC。更重要的是，BTP- 2FClO和BTP-2FBrO表現出適度的分子堆積與結晶度; 使它們可以作為有效的第三組分，減少PM6:BTP-eC9的過度聚集并優化其混合膜形態。因此，基于BTP-2FClO的三元OSCs器件實現了令人印象深刻的19.34%的高效率。我們的工作不僅強調了調控端基處偶極矩對于開發高性能中帶隙非富勒烯受體材料的重要性，而且為有機三元OSCs體系提供了一種高效的中帶隙非富勒烯受體材料。相關工作以“Dipole Moment Modulation of Terminal Groups Enables Asymmetric Acceptors Featuring Medium Bandgap for Efficient and Stable Ternary Organic Solar Cells”的研究性文章發表在Wiley 的旗艦刊物Angewandte Chemie International Edition。本文的第一作者是香港科技大學的博士研究生鄒博森，共同第一作者為廣西大學的博士研究生梁安海和香港科技大學博士研究生丁鵬博；香港科技大學顏河教授、伍世豪博士以及廣西大學闞志鵬教授和為論文共同通訊作者。此外，本研究得到了南方科技大學郭亮教授與香港理工大學李剛教授的平臺支持。論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/anie.202415332
圖2. 本文所涉及的非富勒烯小分子受體的分子結構、偶極矩計算、紫外可見光吸收光譜、能級排布以及分子堆積比較。圖3. 二元與三元OSCs光伏器件性能與物理分析。綜上所述，通過精確調控甲氧基與鹵素在苯環端基的位置，結合不對稱端基策略，我們成功合成了兩種新型不對稱中帶隙受體（BTP-2FClO & BTP-2FBrO）。這些端基具有較小的偶極矩，能夠有效減弱分子內電荷轉移效應，使得小分子受體吸收光譜藍移和帶隙增大。將這些新的小分子受體與PM6結合，我們取得了基于PM6:不對稱Y基小分子受體二元OSCs的新記錄VOC ~0.96 V。此外，BTP- 2FClO和BTP-2FBrO表現出適度的分子堆積與結晶度; 使它們可以作為有效的第三組分，減少PM6:BTP-eC9的過度聚集并優化其混合膜形態。因此，基于BTP-2FClO的三元OSCs器件實現了令人印象深刻的19.34%的高效率。本研究強調了調控端基處偶極矩在中帶隙受體材料設計中的重要性，為未來的中/寬帶隙受體材料的設計提供參考。
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