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非共价“构象锁”异构化实现高性能全小分子有机太阳能电池


导语

       近些年来,非共价“构象锁”(Noncovalently Conformational Locks,NoCLs)被视为是一种设计高性能有机/聚合物半导体材料的重要策略。一方面,在半导体材料中引入S···O,S···F,S···N等非共价“构象锁”,可显著提升其骨架的刚性和平面性、降低重组能,从而有利于提升材料的电荷传输性质和器件的性能。另一方面,非共价“构象锁”策略的引入通常可以减少合成的复杂难度、降低合成成本,有利于材料的产业化。因此,中国科学院大学黄辉教授课题组近些年尝试将这一策略应用于低成本、高性能电子受体材料的探索中,并取得了一系列重要的科研成果(Sci. China Chem. 2021, 64, 228-231;Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 12475-12481;Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 17720-17725;Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2108861)。但是该策略在小分子给体材料的设计上却鲜有关注。近日,中国科学院大学的黄辉教授课题组在该研究领域取得了新突破,相关成果发表在Adv. Funct. Mater. 2022, 2112433(DOI: 10.1002/adfm.202112433)。


前沿科研成果

非共价“构象锁”异构化实现高性能全小分子有机太阳能电池


       近些年来,高性能有机太阳能电池主要是基于宽带隙聚合物给体材料实现的。然而,聚合物材料普遍存在批次差异现象,这给器件的可重复性带来了很大的障碍。由此,开发分子量确定、容易纯化的高性能小分子给体材料则显得尤为重要。黄辉教授课题组前期将非共价“构象锁”策略成功的应用于低成本、高性能电子受体材料的开发。在这一工作基础上,作者通过引入非共价“构象锁”策略,合成了一对区域异构的小分子给体材料BT-O1和BT-O2(图1)。理论结果表明,由于S···O非共价“构象锁”的引入,两个小分子材料均具有平面的骨架和较小的内重组能。

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图1. 非共价“构象锁”异构化的小分子给体化学结构及其光电、固态堆积行为示意图

(来源:Adv. Funct. Mater.)

 

       作者进一步研究发现,非共价“构象锁”的区域异构化对两个材料的吸光能力、能级以及固态堆积行为有很大的影响(图1)。因此,当使用H3作为受体材料共混制备有机太阳能电池器件时,基于BT-O2的器件表现出13.99%的能量转化效率(图2)。这一结果远优于基于BT-O1的器件性能(4.07%)。

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图2. 光伏器件研究、复合机理、能量损失示意图

(来源:Adv. Funct. Mater.)

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图3. 混合膜形貌研究示意图

(来源:Adv. Funct. Mater.)

 

       作者继而通过研究电荷复合损失、激子解离效率、能量损失及混合膜形貌,揭示了上述两个器件在性能上具有明显差异的原因(图2和图3)。

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图4. 三元器件光伏性能以及第三方验证结果示意图

(来源:Adv. Funct. Mater.)

 

        最后,作者在BT-O2:H3体系中添加少量富勒烯衍生物PC71BM制备了三元共混体系,获得了15.34%的器件性能(中国计量科学院验证效率为14.6%)(图4)。


总结:

       作者通过非共价“构象锁”区域异构的策略,有效的调控了小分子受体的光电性质、固态堆积行为以及光伏器件性能,为探索高性能小分子给体材料指明了新的思路。


      这一成果以“High-Performance All-Small-Molecule Organic Solar Cells Enabled by Regio-Isomerization of Noncovalently Conformational Locks”为题发表在Adv. Funct. Mater.(Adv. Funct. Mater. 2022, 2112433)上。第一作者为中国科学院大学张昕副教授,中国科学院大学的秦琳青、香港中文大学的李昱皓、林雪萍大学的虞坚炜为共同第一作者。通讯作者为中国科学院大学的张昕副教授和黄辉教授、香港中文大学的路新慧教授。上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基本科研专项资金等资助。



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