南方科技大学何凤副教授课题组在氯取代小分子受体材料方面的研究进展

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A-D-A型（尤其是ITIC系列）小分子受体材料由于设计合成简单，在可见光甚至是近红外区域有较强吸收，且能级易于调控，因而近年来取得了突破性的进展，单节太阳能电池的能量转换效率目前已经突破15%，越来越接近产业化应用。而具有近红外吸收的受体材料在与给体共混以后，由于其具有非常宽的光响应范围，因而更容易得到高的短路电流。同时由于其吸收主要位于近红外区域，对可见光的吸收较弱，可用来制备半透明太阳能电池器件。A-D-A型小分子材料很容易通过分子的结构调控实现近红外吸收，例如增强中间富电子核的给电子能力，或者提升缺电子端基的吸电子能力，都能够有效的降低分子的带隙。

南方科技大学化学系何凤副教授团队分别以十元环和十二元环为核，氯代的IC为端基，设计合成了两个小分子受体材料R10-4Cl和R12-4Cl（图1）。增加中间核的共轭长度可以有效的增强其给电子能力，同时大的共轭平面也有利于增强分子间的相互作用。而我们前期的研究工作表明，端基引入氯原子可以大幅提升其吸电子能力，进而降低分子的能级和带隙，同时氯原子的引入也有利于提升分子间的相互作用，进而提高分子堆积的有序度。（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 39992-40000.）。

图1. R10-4Cl和R12-4Cl的化学结构。

由于显著增强的分子内电荷转移效应，R10-4Cl和R12-4Cl具有非常高的吸光系数以及窄的带隙（1.44 和1.31 eV），吸收边带也分别达到866和917 nm。从R10-4Cl的单晶结构可以看出，由于较大的位阻作用，相邻分子的核之间没有明显的π-π作用，而相邻的绿色分子端基之间则大部分重叠且完全平行（图2c），π-π距离仅为3.32 Å，这非常有利于电子的传输。而蓝色的分子位于两个绿色分子之间，且蓝色分子之间完全没有相互作用。蓝色分子的氧原子与绿色分子的硫原子之间的距离仅为3.15 Å，小于两个原子的范德华半径之和，表明有非常强的S···O相互作用。两种不同排列方式的分子构成了一个Z型相互贯穿的网络结构，使得电子能够沿着多个方向进行传输，进而有利于提升电子迁移率。

图2. R10-4Cl的晶体堆积结构

与聚合物PBDB-T共混以后，由于R10-4Cl能够形成高度有序的堆积结构，因此其共混薄膜具有更好的相分离形貌，且同时具有高的电子和空穴迁移率。以聚合物PBDB-T为给体，R10-4Cl为受体制备的非富勒烯有机太阳能电池器件的能量转换效率达到10.7%，其中，开路电压为0.85 V，短路电流为18.9 mA cm-2，填充因子为66.6%。尽管基于R12-4Cl的共混薄膜具有更宽的光响应范围，但是由于薄膜的相分离尺度过大，不利于电荷的有效分离，因而基于R12-4Cl的的器件性能仅为9.3%（图3a和3b）。以上结果表明，增加小分子的共轭长度是一种非常有效的制备高性能非富勒烯小分子受体材料的方法，同时引入氯原子后能够进一步增强分子间的相互作用，有利于电荷的快速转移，进而提升器件性能。

图3. R10-4Cl和R12-4Cl分别与聚合物PBDB-T共混制备器件的（a）J-V曲线和（b）EQE曲线

以上成果发表在Chemistry of Materials (Chem. Mater. DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b05047)上。该工作的第一作者为南方科技大学化学系曲建飞助理教授，通讯作者为南方科技大学化学系何凤副教授，共同通讯作者为华南理工大学解增旗教授和美国阿贡国家实验室陈伟教授。

该研究得到了国家自然科学基金、中组部“青年千人计划”、南科大科研启动经费、深圳市诺贝尔奖科学家实验室项目以及深圳市科创委研究项目等经费的支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.chemmater.8b05047

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