南方科技大学何凤教授课题组《Angew》：在非卤代溶剂加工的有机太阳电池三维网络受体材料上取得新进展

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基于半导体共轭聚合物和受体混合制备的有机太阳电池在材料的合成和器件工艺上目前都已取得了很大的成就，新型的非富勒烯电子受体近几年来也受到越来越多的关注，有机太阳电池的效率不断被刷新，非富勒烯有机太阳单结的电池效率已超过18%。目前高效有机太阳电池的制备普遍采用卤代芳烃溶剂，例如氯仿、氯苯、二氯苯等。但这些溶剂都有很高的毒性，在器件制备过程中如果长时间接触，会对研究人员的健康带来很大的危害。而且这些溶剂直接排放到大气中，也会造成对环境的污染和危害。从制备成本的角度来看，这些溶剂的成本价格也很高。这些不利因素限制了卤代溶剂在有机太阳电池制备的大规模生产和工业化应用，并且和现在绿色化学的宗旨是背道而驰的。因此以健康和环保为出发点，发展低毒性甚至无毒的非卤代芳烃溶剂去制备有机太阳电池是迫在眉睫，也是有机太阳电池走向商业化的必经之路。

近日，南方科技大学何凤教授课题组在含三氟甲基的高效受体BTIC-CF₃-γ（F. He, Joule 2020, 4, 688-700）基础上，通过不对称策略，结合氯取代的独特性质和优势，合成了新的高性能受体材料BTIC-2Cl-_γCF₃。通过调控端基与中心核之间的分子间相互作用，两个不同端基的分子间相互作用结合在一起，最终形成的分子能在大多数溶剂中充分溶解（甚至无卤素溶剂），从而满足生态兼容的器件制备要求。选用PBDB-TF作为给体，利用甲苯作为加工溶剂，制备的有机太阳电池效率高达16.31%。通过三元共混策略，甲苯加工的器件效率提升至17.12%。在Ag电极为15 nm时，制备的半透明电池在24.45%的透射率下，效率高达13.06%。分子中氯取代和三氟甲基的相互作用，有效调控了分子的聚集形态，使BTIC-2Cl-_γCF₃ 成为生态相容溶剂加工的高效光伏材料。通过对分子单晶结构的分析（图1），每个椭圆框架结构由6个相互作用的分子组成，包括端基间 (J-aggregations)和核与核之间 (H-aggregations)的相互作用，以及非共价的F∙∙S、F∙∙O、Cl∙∙S、Cl∙∙O等相互作用。因此，形成得了由多个长度为26.6 Å、宽度为17.2 Å的椭圆框架组成的三维网络结构。BTIC-2Cl-_γCF₃的三维构型可有利于更加高效的电荷传输,提高器件的光电转换性能。

图1. (a) BTIC-2Cl-_γCF₃, PBDB-TF 和 PC₇₁ThBM的分子结构；(b) BTIC-2Cl-_γCF₃单晶结构；(c) 分子的π∙∙∙π相互作用；(d) 单个椭圆框下的单晶结构；(d) 单个椭圆框下分子间相互作用；(f) c 轴方向上和 (g) c* 轴方向上3D网络堆积结构。

此外，通过同步辐射光源的掠入射X射线衍射（GIWAX）研究发现（图2(a)-(d)），二元和三元的混合膜具有相似的衍射花样，都表现出良好的形貌堆积信息。联合前面的单晶数据分析，BTIC-2Cl-_γCF₃分子的堆积方式在混合膜中得到了部分保留。图2(e)-(f)的器件稳定性测试表明，二元和三元器件都表现出很优异的稳定性。在氮气保护的手套中贮藏720小时后，仍能维持初始效率的95%。在同样时间的持续光照下，三元器件的效率仍超过15%。因此，基于BTIC-2Cl-_γCF₃的材料体系具有很大的商业化前景。

图2.二元 (a) 和三元 (b) 薄膜的GIWAX衍射花样；垂直平面 (c) 和平面内 (d) 的对应曲线图；甲苯加工的器件贮藏稳定性 (e) 和 光稳定性 (f)。

低带隙受体BTIC-2Cl-_γCF₃在近红外区域有很强的吸收，使可见光尽可能多地穿透，非常适合制备半透明器件。图3(a)-(c)为甲苯制备的三元半透明器件的J-V、EQE和透射率曲线。在平均透射率为24.5%的条件下， 15 nm  Ag的半透明器件效率高达13.06%。为了量化制备半透明器件的视觉外观，图3(e) 显示了器件的CIE色坐标。图3f为通过半透明器件拍摄的室外图像。从照片上看，半透明器件展示了良好的清晰度、色觉和透明度。这些结果表明，BTIC-2Cl-_γCF₃是半透明光伏建筑一体化产品中很有前途的材料。

图3.不同Ag电极厚度下，甲苯加工的三元器件的 (a) J-V, (b) EQE, and (c) 透射曲线；(d)近年来效率超10%的半透明有机太阳电池；(e) 器件的CIE坐标图；(f) 通过半透明器件拍摄的户外照片。 

该成果以研究论文形式发表在国际化学旗舰期刊Angewandte Chemie International Edition （10.1002/anie.202013053）上。该工作的第一作者为课题组研究助理教授陈晖，博士生赖寒健和陈子毅博士，通讯作者为南方科技大学化学系与深圳格拉布斯研究院何凤教授。该研究得到了南方科技大学启动经费、国家自然科学基金、广东省引进创新科研团队、深圳市科创委以及深圳格拉布斯研究院和南方科技大学分析测试中心的大力支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202013053

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