国家纳米科学中心周二军课题组 | 苄基改变分子堆积：非富勒烯受体设计新手段

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最近几年，非富勒烯受体材料的开发极大地推动了有机太阳能电池（OSC）的发展，其最高能量转换效率超过了18%。从分子结构上来看，高效的非富勒烯小分子材料可以分为两类，A–D–A型和A₂–A₁–D–A₁–A₂型。前者主要以氰基茚酮（IC）衍生物作为A单元，后者以苯并噻二唑（BT）或苯并三氮唑（BTA）作为A₁单元，绕丹宁（R）或氰基绕丹宁（RCN）做为A₂单元。

大量实验表明，对于A-D-A分子来说，分子间的A-A堆积有利于电荷的有效传输，是获得高效率的关键因素。然而，A₂–A₁–D–A₁–A₂型分子结构更为复杂，分子间相互作用形式多样，包括同核堆积A₁-A₁，A₂-A₂以及异核堆积A₁-A₂ (如图1所示)。目前，尚未有合适的方法来调控该类分子的堆积，更没有报道来研究不同堆积方式对于分子结晶性、活性层形貌、能量转换效率的影响。

图1 A–D–A和A₂–A₁–D–A₁–A₂型非富勒烯受体材料可能存在的分子间相互作用形式

本研究工作中，作者采用一种简单的策略，通过改变A₂–A₁–D–A₁–A₂型受体分子A₂单元上取代基的结构来调节分子间相互作用方式。计算表明，采用常见的乙基，BTA3分子的堆积方式为异核堆积（A₁-A₂），通过引入苄基，BTA5的堆积方式变为同核堆积（A₂-A₂） (如图2所示)。作者认为堆积方式改变的驱动力主要来自于苄基的苯环与A₁单元上苯环的相互作用。而苯基取代基由于其较大的空间位阻，妨碍了受体分子BTA4之间的规整堆积。

图2 取代基对小分子受体材料堆积方式及光伏性能的影响示意图

随后，作者系统研究了受体材料分子间相互作用对有机太阳能电池性能的影响。根据其提出的“同A策略”（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704507），采用含BTA单元的聚合物J52-F作为给体材料，三种受体都能实现较高的开路电压（~1.2 V），能量转换效率分别为9.4%（BTA3），5.6%（BTA4）和11.3%（BTA5）。另外，作者也尝试了其他常见的经典聚合物给体，包括P3HT、PTB7、PTB-Th和PBDB-T。实验表明，所有体系的光伏性能具有同样的变化规律（如图3所示）。因此作者认为，苄基可能会成为A₂–A₁–D–A₁–A₂型受体材料开发的一个首选取代基。

图3 四种经典聚合物与BTA3-5的光伏性能比较

综上所述，该研究工作不仅首次实现A₂–A₁–D–A₁–A₂型非富勒烯受体材料分子间堆积方式的调控，也为高效叠层器件的制备提供了极佳的前电池材料组合。相关研究结果发表在Science China Chemistry上，国家纳米科学中心王晓晨副研究员，杨静博士和唐爱玲副研究员为本文的共同一作，通讯作者为周二军研究员。详见：Xiaochen Wang, Ailing Tang, Jing Yang, Mengzhen Du, Jianfeng Li, Gongqiang Li, Qiang Guo, Erjun Zhou. Tuning the intermolecular interaction of A2-A1-D-A1-A2 type non-fullerene acceptors by substituent engineering for organic solar cells with ultrahigh VOC of ~1.2 V. Sci. China Chem., 2020, https://doi.org/10.1007/s11426-020-9840-x

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