薄志山团队ACS AMI: 含二苯胺侧基的高性能简单型非稠环电子受体

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导语：研究人员设计并合成了四种新型简单的非稠环电子受体分子：H–2F、CH3–2F、OCH3–2F和SCH3–2F ，并与聚合物给体PBDB-T共同制备了一系列有机太阳能电池器件，并比较了相应的性能，光电转换效率（PCE）最高达12.28% 。
1.前言
近几年来，有机太阳能电池（OSCs）技术取得了重大突破，稠环非富勒烯受体（FREAs）的问世使得OSCs器件的光电转换效率（PCE）达到18%以上。然而，大多数高性能FREAs的制备涉及多步有机合成和低产率的闭环反应，这成为未来实际应用的瓶颈之一。随后，研究人员开发出低成本和简单型非稠环电子受体（NFREAs），通过借助分子内非共价相互作用，如F··H、S··O和S··N等，可以构建具有平面分子主链的受体分子。然而， PCE超过12%的NFREAs种类较少，结构与属性的关系需要进一步建立。因此，有必要进一步开发新型高性能NFREAs 。
深入分析FREAs的工作机理可以启发合理设计新型的非熔合受体。 A-D-A型FREAs的主要分子特征包括：（1）平面梯形核（D单元）有利于电子离域；（2）D单元与端基（A单元）之间的强分子内电荷转移（ICT）效应可增强长波吸收；（3）分子侧链可以确保受体在有机溶剂中具有良好的溶解性，并防止它们在固态下形成过大的聚集体。三芳胺（TAA）具有三维（3D）分子构型和较强的给电子能力，不仅能有效抑制分子的过度聚集，而且能增强ICT效应以拓宽吸收，已被用于构建非富勒烯受体分子。然而，这些分子的PCE尚未突破5% 。因此，开发包含TAA单元的高性能NFREAs是一项艰巨的挑战。
图1:相关分子结构与性能比较
2.简介
考虑到上述的因素，近日，北京师范大学薄志山教授研究团队设计并合成了四种新型简单的NFREAs：H–2F、CH3–2F、OCH3–2F和SCH3–2F 。研究人员选择四噻吩作为中心核单元，二苯胺单元作为侧基单元，因此可以减少分子畸变并确保分子主链的有效共轭性。同时，通过改变二苯胺单元上的取代基，可以调节受体的吸收和能级以及共混膜的电子迁移率和形态，这些NFREAs具有450到880 nm宽吸收带。此外，与其它三种受体不同， CH3-2F可以在给受体共混膜中形成有序的分子堆积和表面取向。单晶分析表明， CH3-2F可以形成二维电子传输网络。
图2:相关器件的光伏性能
研究人员随即基于聚合物给体PBDB-T分别与四种NFREAs制作了相应的OSCs器件，并比较了它们的光伏性能。结果显示，苯基单元上的取代基对器件性能有很大影响，从甲硫基改为甲基时可以显著提高PCE从6.67%到12.28% 。 CH3–2F在分子取向上显示出更有序的分子堆积，这有利于实现更高的电荷迁移率。同时，基于PBDB-T:CH3–2F共混膜显示较小的Flory–Huggins相互作用参数，并具有与聚合物给体更好的相容性。这项研究表明，细微的分子变化可以显著影响NFREAs的光伏性能。此外，该工作为开发具有侧边二苯氨基取代基的高性能NFREAs提供了一个新的分子平台。
图3:相关器件的光伏性能
3.总结
综上，该工作为设计更高性能的NFREAs开发出一种新的策略，相关研究成果现已发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，题为“High-Performance Simple Nonfused Ring Electron Acceptors with Diphenylamino Flanking Groups” 。
本文关键词：有机太阳能电池，非稠环受体，分子堆积，电荷传输， PBDB-T ， H–2F ， CH3–2F ， OCH3–2F ， SCH3–2F 。
4.材料
【|薄志山团队ACS AMI: 含二苯胺侧基的高性能简单型非稠环电子受体】PBDB-T：1415929-80-4

薄志山团队ACS AMI: 含二苯胺侧基的高性能简单型非稠环电子受体

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