杨楚罗教授课题组: 调控小分子受体烷基链的分支位置提升非富勒烯有机太阳能电池性能

深圳大学/武汉大学杨楚罗教授课题组和合作者以高效率的小分子受体Y6为基础，将烷基链分支位置离开Y6的中心核开发了两个新的SMA (Y6-C2和Y6-C3)。在未经任何后处理的情况下，基于Y6-C2的器件效率高达15.89％，高于基于Y6（15.24％）和Y6-C3（13.76％）的器件，这是目前已报道的无需后处理的最高二元器件效率。

非富勒烯小分子受体（NFSMA）由于其易于调节的光学和电子特性引起了有机太阳能电池（OSC）领域研究者的极大兴趣和持续关注。目前，基于NFSMA的器件效率（PCE）已经超过16％。非富勒烯SMA的分子设计策略主要包括中心核修饰、末端基团修饰和侧链工程。与中心核和末端单元修饰相比，“侧链工程”策略不仅可以节约合成时间，也可以微调分子特性，从而改善器件性能。侧链的改变、包括对称性，尺寸和长度的变化，可以极大地影响SMA的分子间相互作用和结晶特性。尽管侧链工程策略已被广泛研究，但烷基链分支位置对SMA的性质和性能的研究却很少。调节烷基链的分支位置是增强有机场效应晶体管（OFET）中分子堆积和电荷载流子迁移率的有效方法，研究该方法对OSC性能的影响具有十分重要的意义。

图1 Y6, Y6-C2, Y6-C3和PC₇₁BM的化学结构；二元，三元和大面积器件效率。

最近，深圳大学/武汉大学杨楚罗教授课题组和合作者以高效率的小分子受体Y6为基础，将烷基链分支位置离开Y6的中心核开发了两个新的SMA (Y6-C2和Y6-C3)。与Y6相比，Y6-C2具有相似的吸收波长和电化学性质，但分子堆积更好，结晶度更高。以PM6为给体分别与三个小分子受体共混制备器件，在未经任何后处理的情况下，基于Y6-C2的器件效率高达15.89％，高于基于Y6（15.24％）和Y6-C3（13.76％）的器件，这是目前已报道的无需后处理的最高二元器件效率。通过形态学和器件物理研究，基于Y6-C2器件的高FF归因于高度有序的分子堆积结构，良好的结晶特性，长的载流子漂移长度和小的重组顺序。

为了研究PM6:Y6-C2体系的其他应用潜力，作者进一步制备了大面积器件和三元器件。基于PM6:Y6-C2的器件面积为1.00 cm²时可获得14.83％的效率，基于PM6:Y6-C2:PC₇₁BM的三元OSC器件获得了17.06％的高PCE，其中填充因子（FF）高达0.772，这是迄今为止三元OSC的最好结果之一。以上研究表明烷基链分支位点的改变是调节分子堆积和结晶特性的有效策略，有利于开发高性能SMA。

   近日，该成果以“Altering Alkyl-Chains Branching Positions for Boosting the Performance of Small-Molecule Acceptors for Highly Efficient Nonfullerene Organic Solar Cells" 发表于Sci. China Chem. (Sci. China Chem., 2020, 63(3): 361-369)。文章的共同第一作者是武汉大学罗正辉和孙瑞，共同通讯作者包括深圳大学/武汉大学杨楚罗教授、武汉大学高等研究院闵杰研究员和澳大利亚蒙纳士大学焦学琛研究员。

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作者简介

杨楚罗，深圳大学特聘教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，全国百篇优秀博士论文指导教师。主要从事有机高分子光电功能材料与器件方面的研究工作，主要包括有机电致发光（OLED）和有机聚合物太阳能电池（OPV）等，共发表SCI学术论文300余篇。

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