苏州大学廖良生团队通过短轴方向的侧链调控实现对梯形受体材料的优化

有机电子受体材料的优化与发展是实现高性能有机太阳能电池的关键因素之一。相比于传统的富勒烯受体材料，非富勒烯受体材料由于其分子能级和光谱带隙容易调节、成本更低廉而备受人们的关注。其中梯型受体材料因为拥有突出的光吸收性能、优越的迁移率等优点使得有机聚合物太阳能电池的能量转化效率（PCE）达到了一个新的高度，尤其是自占肖卫教授等于2015年首次开发以7元稠环IDTT（图1）为核的梯型受体材料ITIC以来，人们通过增加骨架长度、端基修饰等长轴方向上的优化使基于IDTT的受体材料的聚合物太阳能电池的最高PCE达到了13%以上。

近两年，苯并二噻吩（BDT）作为一个经典的3元稠环化合物在高性能梯形受体材料的构建中表现出极大的潜力。在前期的工作中，廖良生课题组与密西根大学Stephen R. Forrest教授合作，用基于BDT的7元稠环BDCPDT合成了与ITIC互为同分异构的梯形受体材料BDT-IC，探讨了分子骨架的异构作用对受体材料及其器件性能的影响。研究证明，相比较于ITIC，BDT-IC具有更为红移的吸收光谱、更好的结晶性以及约5倍于ITIC的电子迁移率。与给体J71配合实现了PCE= 10.5% ± 0.5%（基于ITIC的PCE为9.0% ± 0.3%）（Sol. RRL, 2017, 1700107）。此外，该团队基于核BDCPDT还合成了具有近红外吸收特性的窄带隙梯形受体材料BT-IC（Energy Environ. Sci., 2017, 10, 1610）和OBT-CIC（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 17114），其中OBT-CIC的吸收边缘达到了930 nm，在平均光透过率为43%的半透明电池中可实现7.1%的PCE。从化学合成角度出发，相比于IDTT骨架，BDCPDT骨架在短轴方向上具有更易修饰的特点（图1）。

图1 (a) IDTT和BDCPDT骨架的分子结构；(b)对梯形受体材料的三种优化方式

鉴于核BDCPDT在梯形受体材料中具有极大的发展潜能，近日，廖良生团队在核BDCPDT上引入了正己基（n-hexyl）和正己基硫基（n-hexylthio）两种不同的侧链基团，分别合成了两个新的受体材料CBT-IC和SBT-IC，并与无侧链取代基的BDT-IC比较，探讨了短轴方向的侧链取代对梯形受体材料性能的影响。研究结果表明，侧链对材料的吸收光谱和分子能级有明显的调节作用（图2），尤其是正己基硫基中S原子微弱的拉电子能力使SBT-IC的HOMO和LUMO均比BDT-IC低了约0.1 eV，这在DFT理论计算结果中也得到了佐证。

图2 (a) 短轴方向上具有不同侧链取代基修饰的受体材料；(b) 吸收光谱图和(c) 分子能级图

除此之外，以J71为给体材料，基于CBT-IC和SBT-IC的器件的外量子效率（EQE）也都高于BDT-IC（图3a），最高可达到75%，这可从CBT-IC和SBT-IC拥有更高的摩尔消光系数中得到解释。基于CBT-IC和SBT-IC的器件效率也分别达到了11.02%（V_OC = 0.92 V, J_SC = 18.06 mA cm^-2, FF = 66.07%）和11.28%（V_OC = 0.89 V, J_SC = 17.78 mA cm^-2, FF = 71.30%）（图3b），均高于基于BDT-IC的10.5%（V_OC = 0.92 V, J_SC = 17.3 mA cm^-2, FF = 65.5%）。

图3 (a) 外量子效率曲线图；(b) 电流-电压曲线和(c) GIXD衍射图谱

为了研究侧链对受体材料薄膜形貌的影响，他们还运用GIXD对CBT-IC和SBT-IC薄膜进行了表征（图3c），发现正己基和正己基硫基侧链的引入均降低了受体材料在薄膜状态下的结晶性，且使π-π堆积的距离变大，这些可能是活性层的载流子迁移率降低的原因。

近日，该成果以“Short-Axis Substitution Approach on Ladder-Type Benzodithiophene-Based Electron Acceptor toward Highly Efficient Organic Solar Cells”为题，在线发表于Science China Chemistry（DOI: 10.1007/s11426-018-9275-6）。点击左下角“阅读原文”可免费浏览和下载全文。

苏州大学硕士生林久栋和中国科学院大学博士生钟恋为该论文的共同第一作者。通讯作者分别为苏州大学李永玺博士和蒋佐权副教授、上海交通大学刘烽教授以及中国科学院大学张占军教授。