东华大学胡华伟研究员/香港科技大学颜河教授：烷基侧链异构化实现效率超过18%的有机太阳能电池

东华大学胡华伟研究员/香港科技大学颜河教授等通过侧链工程策略，设计合成了一系列噻吩烷基侧链的Y系列小分子，研究表明噻吩烷基侧基的异构化能够改变分子间相互作用参数和活性层形貌，基于BTP-4F-T3EH的光伏器件获得了18.25%的能量转换效率。该研究工作为设计高性能受体材料提供了一个重要新思路。有机太阳能电池由于其柔性、可用溶液加工和材料合成灵活度高等优点备受科研人员关注。特别是明星分子ITIC和Y6及其衍生物的开发与利用，使得非富勒烯小分子受体材料成为近年来有机太阳能电池领域的研究热点。前期相关研究表明使用芳香性烷基链作为外侧烷基链可以有效调节分子的吸光系数，降低器件开路电压损失，并提升电荷传输速度。然而，相比于非共轭烷基侧链的受体材料，基于芳香性烷基侧链的受体材料由于其合成相对更加复杂，导致对此类受体材料的构效关系研究相对较少。因此，设计合成新型受体材料并系统研究共轭烷基侧链的组成和取代位置对其光电性能的影响具有重要的意义。近日，东华大学胡华伟研究员与香港科技大学颜河教授在前期烷基链工程的研究基础上（Nano Energy, 2020, 76, 105087;  Energy Environ. Sci., 2021, 14, 3469; Adv. Energy Mater., 2021, 11, 2003141），设计合成了一系列噻吩烷基侧链的Y系列小分子BTP-4F-T2C8，BTP-4F-T2EH和BTP-4F-T3EH，并系统研究了噻吩烷基链的形状和取代位点对于非富勒烯受体材料的分子堆积、电子性质和光伏性能的影响。当选取对分子量不敏感的D18-Cl作为给体材料加工器件，以BTP-4F-T3EH为受体的器件获得了18.25%的能量转化效率，高于基于BTP-4F-T2EH（17.41%）和BTP-4F-T2C8（15.92%）材料的器件。从图1可以看出，噻吩上烷基链的形状和取代位点对于材料的光学以及电学性质没有明显影响。然而在有机太阳能器件中使用支化烷基链2-乙基己基的小分子（BTP-4F-T2EH）相较使用直链烷基链正辛基的小分子（BTP-4F-T2C8），其开路电压、短路电流、填充因子都得到显著提升。在进一步优化烷基链在噻吩上的取代位点从2位（BTP-4F-T2EH）到3位（BTP-4F-T3EH）后，尽管开路电压从0.891 V下降到0.873 V，但是短路电流和填充因子分别从 25.68 mA cm^–2 和76.11% 提高到了26.84 mA cm^–2和77.85%，相应的能量转化效率也从17.41%提升到18.25%（图2）。后续研究表明器件性能的提升主要归因于BTP-4F-T3EH材料具有更加紧密的分子堆积（图3）、更高的电子迁移率和与供体聚合物更高的分子间相互作用参数。此项工作表明精准控制烷基噻吩侧链的形状和取代位置，可以有效的调控活性层形貌，实现能量转换效率上的突破，对进一步开发高性能有机太阳能电池受体材料体系提供了一种新策略。

图1  三种受体材料BTP-4F-T2C8，BTP-4F-T2EH和 BTP-4F-T3EH的化学结构及其相关性能

图2  有机太阳能电池的器件结构和性能

图3  GIWAXS 测试结果

综上，该工作新设计并合成了一系列基于噻吩侧链异构化的非富勒烯受体材料，基于D18-Cl:BTP-4F-T3EH的二元太阳能电池的效率达到18.25%，表明精准控制烷基噻吩侧链的形状和取代位置是提升有机太阳能电池效率的有效策略。论文第一作者是商遨、罗四维和张健全博士。通讯作者为香港科技大学张健全博士、颜河教授和东华大学胡华伟研究员。详见： Shang A, Luo S, Zhang J, Zhao H, Xia X, Pan M, Li C, Chen Y, Yi J, Lu X, Ma W, Yan H, Hu H. Over 18% binary organic solar cells enabled by isomerization of non-fullerene acceptors with alkylthiophene side chains. Sci. China Chem., 2022, https://doi.org/10.1007/s11426-022-1290-y.

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