北京师范大学薄志山《Angew》：合成简单，效率又高，精简受体小分子也可以很出彩

　　自Y6受体分子问世，其高效率成功吸引众多业内工作者，因此也开始“Y系列”受体分子的改进与修饰，目前基于“Y系列”受体分子的最高效率接近18%，熔融环受体分子的设计佳作频出，但完全非熔融环受体分子的发展却略显缓慢，因此，北京师范大学薄志山课题组设计并合成了2种完全非熔融环受体o-4TBC-2F和m-4TBC-2F，通过调节己基氧基链的位置控制分子扭曲程度，以此影响分子聚集体的形成，以PBDB-T为给体，基于o-4TBC-2F共混膜具有高电荷迁移率、低能量损失和高PCE值（10.26%），远高于m-4TBC-2F（2.63%），是目前报道基于完全非熔融环受体PCE值最高的器件之一，为全非熔融环受体的发展再次打通一条新的方向！相关成果以“A De Novo Design of Fully Non-fused Ring Acceptor with Planar Backbone and Near-IR Absorption for High Performance Polymer Solar Cells”为题于2020年8月31日发表于《Angew》

　　

　　如图1是2个分子的结构，可以发现受体分子具有如下潜在优势：[1]平面主链有利于π-电子离域；[2]平面分子促进分子间π-π相互作用，进而促进电荷运输；[3]侧链垂直取代防止分子过度聚集；[4]4个侧链为受体提供良好的溶解性，从而使得共混膜具有良好形貌。更重要的是，在热退火之后，o-4TBC-2F分子诱导产生J-聚集，最近的相关研究表明，J-聚集和其他类型的分子间相互作用有助于构建3D网络结构，使得电荷空穴传输途径增加，传输效率得以提升。

　　图1 o-4TBC-2F、m-4TBC-2F受体分子结构示意图

　　[图文速递]

　　

　　图2 热退火前后o-4TBC-2F和m-4TBC-2F薄膜的吸收光谱

　　

　　图3 DFT计算分子几何构型。从侧面看，o-4TBC-2F分子主链是平面状态，而m-4TBC-2F分子主链扭曲，由于烷氧基位置不同，与主链的二面角分别为74°、46°；俯视图观察2个中心噻吩单元的二面角分别为10°、57°，非取代噻吩和侧链取代噻吩的二面角分别为3°、10°

　　

　　图4 归一化FTPS-EQE光谱。PBDB-T:o-4TBC-2F和PBDB-T:m4TBC-2F的EUs分别为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非辐射能连损耗较低，有助于Jsc与Voc之间的平衡

　　

　　图5 纯膜与共混膜GIWAXS测量。纯o-4TBC-2F和m-4TBC-2F薄膜采用随机的分子取向，无可见（010）和（100）衍射峰；热退火后，纯o-4TBC-2F薄膜出现（010）和（100）衍射峰，表明热退火可以进一步促进o-4TBC-2F的分子堆积行为；对于共混膜，PBDB-T:m-4TBC-2F具有非晶态特征，在OOP方向出现微弱（010）峰，而PBDB-T:o-4TBC-2F共混物表现出更好的结晶特性，π-π相互作用更强；热退火后，PBDB-T:o-4TBC-2F共混膜的二维衍射特征明显，一维谱图出现明显（010）峰，表明PBDB-T:o-4TBC-2F共混膜具有明显的长程有序性和择优取向面，有助于电荷输运

　　

　　图6 PBDB-T:o-4TBC-2F和PBDB-T:m-4TBC-2F共混膜的AFM和TEM图像。PBDB-T:m-4TBC-2F薄膜形成均匀的表面形貌，相比之下，PBDB-T:o-4TBC-2F薄膜中形成了具有微小纤维的纳米级相分电影先生离，热退火后这种现象更加明显；TEM中，PBDB-T:o-4TBC-2F薄膜具有清晰的互穿网络结构，有助于激子离解和电荷传输，而PBDB-T:m-4TBC-2F薄膜，无法观察到纳米纤维

　　[小结]

　　本文避开复杂的合成过程，设计了2个完全非熔融环受体分子，虽仅仅改变侧链烷氧基的位置，但是2个分子的扭曲程度完全不同，o-4TBC-2F分子发生有利的J-聚集。目前，完全非熔融环受体分子的效率仍有很大的提升空间，精简的设计也能带来惊喜，受体分子的发展前景依然明亮，在实现高PCE的过程中，道路不只一条，每一条路上都充满惊喜，相信在众多行业工作者的奇思妙想下，有机太阳能电池的前景，一片明朗！

　　来源：高分子科学前沿

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