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    南昌大學和江西師范大學陳義旺教授課題組《Adv. Funct. Mater.》:在非對稱受體方面取得新進展
    2020-04-30  來源:高分子科技

      近年來,基于A-D-A和A-DAD-A型結構的小分子受體的有機太陽能電池在提高能量轉換效率(PCE)上表現出巨大的潛力。非對稱策略對小分子受體材料在能級和形貌調(減弱分子的強聚集效應和強結晶性帶來的相分離過大以及電荷傳輸不平衡等不利因素)控上有其獨特優勢,而非對稱結構的A-DAD-A’型小分子受體還鮮有報道。


      南昌大學和江西師范大學陳義旺教授研究團隊在開發小分子受體和聚合物給體方面有著豐富的經驗,前期工作如與華盛頓大學Alex K.-Y. Jen教授合作的系列工作,通過增強給體核的給電子能力來增強分子內電荷轉移作用(ICT)從而擴寬吸收提高短路電流(Chem. Commun., 2019, 55, 8258; Adv. Funct. Mater. 2018, 1802324);通過在受體核中引入氮雜環(吡咯環)替換共軛作用較小的環戊二烯來增強ICT作用,擴寬吸收,同時減小能量損失(Chem. Mater. 2018, 30, 5429-5434);進一步的在基于氮雜環給體核的基礎上引入二維共軛結構,增大共軛平面,有效的將吸收擴寬至1000 nm并得到優異的光伏性能(J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 2054?2057);此外與瑞典斯德哥爾摩皇家理工學院孫立成教授合作,將氮雜環給體核引入到三維共軛體系中,得到了目前基于星型受體分子的最高能量轉效率器件(Chem. Mater. 2019, 31, 8810-8819);前期獨立工作如:通過分別把烷硫基和氟原子引入苯并二噻吩(BDT)的二維噻吩共軛側鏈上(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 35, 32218-32224,J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 26351–26357),以及端基工程(Sol. RRL, 2020, 2000071)構建二維小分子受體材料來提升有機光伏效率;鹵素原子(氯原子與氟原子)在提升非富勒烯有機太陽能電池效率上顯示出巨大優勢,為此通過把不同數目的氯原子引入苯的二維側鏈上構建D-A共聚物給體來考察對有機器件性能的影響(Chin. Chem. Lett., 2019, 30, 1161-1167和Chin. J. Polym. Sci., 2020, DOI: 10.1007/s10118-020-2435-5)。


      基于以上經驗和非對稱結構的巨大潛力,該課題組設計并合成了基于不同氯原子數目的非對稱A-DAD-A’型稠環小分子受體材料,與PM6構筑器件并對其性能進行深入研究,相關研究成果以《Asymmetric Acceptors with Fluorine and Chlorine Substitution for Organic Solar Cells Toward 16.83% Efficiency》為主題,發表在材料領域世界知名雜志《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上(DOI: 10.1002/adfm.202000456)。該論文的第一作者為香港科技大學劉燾博士,通訊作者為南昌大學張有地博士,香港科技大學羅正輝博士顏河教授以及南昌大學和江西師范大學陳義旺教授。另外該工作還感謝中國科學院化學所李永舫院士對這個工作的修改提出的寶貴意見,香港中文大學路新慧教授在形貌表征方面的大力支持以及香港科技大學博士生馬睿杰在器件表征方面給予的幫助。


    圖1 Y6, Y6-4Cl, SY1, SY2和 SY3的化學結構。


    圖2 (a)Y6, SY1, SY2, SY3和Y6-4Cl的溶液吸收光譜;(b)Y6, SY1, SY2, SY3,Y6-4Cl和PM6的薄膜吸收光譜。


      作者設計并合成了含有不同氯原子數目端基的非對稱A-DAD-A’型小分子受體材料SY1, SY2和SY3(圖1),相比含氟端基的Y6,發現隨著氯原子數目的增加,溶液和薄膜吸收光譜明顯地發生紅移,并且它們的薄膜吸收光譜與給體聚合物PM6的吸收光譜顯示很好的匹配度,這將有利于提高電池的JSC值。基于PM6:Y6的有機太陽能電池獲得16.19%的PCE,0.845 V的開路電壓(VOC),25.49 mA/cm2的短路電流密度(JSC)和0.751的填充因子(FF)(圖2a和表1)。相比之下,基于PM6:SY1的器件效率提高到16.83%,與PM6:Y6相比,具有高的VOC (0.871 V),相似的JSC (25.41 mA/cm2)和FF (0.76)。基于PM6:SY2, PM6:SY3和 PM6:Y6-4Cl的器件分別獲得16.01%,16.23%和16.06%的PCE值。這些結果表明使用一個氯取代端基和兩個氟取代端基的非對稱受體SY1的器件性能高于Y6, SY2, SY3和 Y6-4Cl的器件性能。


    圖3 (a)基于PM6:Y6, PM6:SY1, PM6:SY2, PM6:SY3和 PM6:Y6-4Cl器件的J-V曲線;(b)相應的EQE曲線。


      圖2b顯示了它們的外量子效率光譜(IPCE)。所有的器件在500-800 nm的光譜區域均顯示超過70%的IPCE值,和最高的IPCE值接近84%,說明了在這些器件中相對弱的電荷復合。對于Y6, SY1, SY2, SY3和 Y6-4Cl器件,從IPCE曲線獲得的積分電流分別為24.80, 24.92, 24.64, 24.97和 25.11 mA cm-2。基于PM6:SY1器件的電子和空穴遷移率分別為3.08 × 10-44.63 × 10-4 cm2V-1s-1,兩者的比值為1.50,很明顯,這組器件的比值更接近于1,揭示了電子和空穴傳輸更加平衡,也表明獲得最高的FF值是合理的。通過AFM和GIWAXS形貌表征,他們發現基于PM6:SY1器件形成合適的表面粗糙度以及較弱的結晶性,有效地抑制了雙分子復合。


      總之,通過使用不同數目的氯原子取代Y6端基上的氟原子分別獲得非對稱結構的A-DAD-A’型稠環小分子受體SY1, SY2, SY3 和Y6-4Cl。隨著氯原子數目的增加使得吸收光譜發生紅移,并且氯取代的受體材料相比氟取代的Y6的LUMO能級下移以及較弱的結晶性。基于PM6:SY1器件顯示了16.83%的最高PCE,這主要歸因于較平衡的電荷傳輸,高的電荷分離和收集效率以及較好的形貌特征。此工作較為系統地研究含有不同數目的氯原子取代端基的非對稱小分子受體提供了一種非常好的策略。 


      文章鏈接地址:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202000456

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