北京师范大学薄志山教授团队通过修饰稠环电子受体的端基提高其光伏性能
近年来，n-型有机半导体小分子受体材料因其具有化学结构易修饰、分子能级和吸收光谱易调控、成本低廉等显著优点而受到研究者们的广泛关注。其中，基于稠环电子受体（FREAs）的聚合物太阳能电池的光电转换效率不断被刷新，目前已经超过14%。这类受体材料通常以富电子的芳香稠环为核，保证分子的平面性，有利于电荷传输。但相比于传统的富勒烯受体材料，稠环小分子具有更快的结晶速度，在成膜过程中易于形成大的聚集，破坏活性层的形貌。为此，人们主要通过侧链工程解决这一难题。通过sp3的碳引入位阻较大的烷基侧链，增强溶解性的同时限制芳香稠环的自聚集，从而避免稠环小分子与聚合物共混时形成大的相分离。然而，侧链位阻增大会破坏分子的紧密堆积，不利于电荷传输。因此，为了获得高性能的聚合物太阳能电池，设计具有高迁移率和合适的聚集行为的稠环电子受体至关重要。
最近，北京师范大学薄志山教授课题组通过修饰受体小分子的端基，有效调控活性层相分离尺寸，同时提高了受体小分子的电子迁移率。他们通过Suzuki偶联在IDT-IC的端基上以单键引入芳香基团（苯环或噻吩环），得到了两个受体小分子材料IDT-IC-B和IDT-IC-T（图1）。DFT计算和XRD测试表明芳香基团的引入可以改变端基的平面性从而影响受体小分子的结晶行为。TEM表征发现基于PBDB-T:IDT-IC-B/IDT-IC-T制备的器件，其活性层形貌呈现出均匀分布的纤维状聚集和合适的纳米尺寸相分离；而PBDB-T:IDT-IC薄膜呈现出明显较强的聚集。同时DFT计算和SCLC测试表明，芳香基团的引入扩大了端基的共轭骨架，增强了端基间的π–π作用，从而形成分子间电子传输的有效通道，提高受体小分子的电子迁移率。
图1. (a) IDT-IC, IDT-IC-T和IDT-IC-B的分子结构以及对应的DFT计算优化的二聚体的堆积方式；(b) PBDB-T:IDT-IC, (c) PBDB-T:IDT-IC-T 和 (d)PBDB-T:IDT-IC-B的TEM图。
以PBDB-T为给体材料，基于IDT-IC-T和IDT-IC-B的器件的外量子效率（EQE）都高于IDT-IC（图2），最高可达到75%。基于IDT-IC-T和IDT-IC-B的器件效率分别达到了9.43%（Voc =0.86 V, Jsc = 15.91 mA cm−2, FF = 0.69）和8.72% （Voc = 0.87V, Jsc = 14.31 mA cm−2, FF = 0.70），明显高于基于IDT-IC的5.82%（Voc=0.88 V, Jsc = 11.58 mA cm−2, FF = 0.57）。这些结果表明扩大端基的共轭骨架能够简单有效地调节受体分子的聚集行为，同时增强了端基间的π–π作用，促进分子间的电荷传输，提高光伏性能。
图2. (a)电流-电压曲线图；(b)外量子效率曲线图。
近日，该成果以“Enhance the performance of polymer solar cells via extension of the flankingend groups of fused ring acceptors”为题，在线发表于Science China Chemistry (DOI:10.1007/s11426-018-9252-9)。
论文链接：
http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-018-9252-9?slug=full%20text
来源：中国科学化学
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