陈义旺&胡华伟&颜河Angew：高效有机太阳能电池非富勒烯受体中硒功能化的精确调控

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前言回顾

有机太阳能电池（OSCs）由于其机械灵活性、易于卷对卷制造以及低生产成本等优势，被认为是新一代可再生能源技术之一。在过去十年中，由于聚合物给体（PM6）、A-D-A型（ITIC）和A-DA'D-A型（Y系列）等非富勒烯小分子受体（NF-SMAs）的快速发展，以及器件工程和形貌研究，OSCs的光电能量转换效率（PCE）已被提高到19%以上。尽管取得了这些令人欣喜的成就，但解决OSCs中开路电压（VOC）、短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）之间权衡问题，以最大限度地提高器件效率，仍是该领域的关键问题之一。

NF-SMAs在调节光电特性方面显示出巨大潜力。稠环电子受体π核中含硒（Se）杂环在许多方面优于含硫杂环。通常，引入更极化的硒原子可以增强π核的给电子能力和基态共振特性，从而使含硒NF-SMAs的光学带隙更低。这些特性使得含硒NF-SMAs能够实现更优异的JSC。另一方面，加入硒原子可以促进分子堆积，从而通过π核的平面化和非共价Se-Se相互作用实现电荷载流子传输，提高电子迁移率。尽管含硒π核具有这些优点，但基于硒的NF-SMAs二元器件的最佳PCE仍然低于18%，这主要是引入硒后共混物的形貌未得到较好的优化，因此器件的FF相对较低，而目前尚未对Y系列受体的含硒NF-SMAs及其噻吩类似物进行系统比较。

图1. 分子结构、吸收光谱、能级排列

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文献简介

为了实现具有高FF的高性能含硒NF-SMAs，迫切需要开发新型NF-SMAs以系统地研究其形貌特性、光伏性能和光物理过程。近日，东华大学陈义旺教授、胡华伟研究员，香港科技大学颜河教授等人展开合作，设计并合成了一系列基于噻吩/硒吩的A-DA'D-A型NF-SMAs，并通过多重表征对其进行了对比。研究人员合成了三种新型受体分子，分别mPh4F-TT、mPh4F-ST和mPh4F-TS，π中心核上分别含有噻吩并噻吩（TT）、内部硒吩并噻吩（ST），外部硒吩并噻吩（TS）。重要的是，研究人员选择间己基苯基作为侧链，因其可以优化薄膜形貌和减小电压损失。

图2. 器件的光伏性能测试与比较

实验结果表明，硒吩的存在和位置都会影响分子的吸收、激子寿命和形态。从mPh4F-TT到mPh4F-ST和mPh4F-TS的演变会导致吸收逐渐红移，最终接近950 nm，同时分子间堆积更加紧密。此外，当与给体聚合物PM6匹配时，基于mPh4F-TS的共混膜显示出降低的电压损失和Urbach能量，以及最高的电荷载流子迁移率和外量子效率（EQE）响应。因此，基于mPh4F-TS的器件实现了同时增强的JSC和FF，并获得了18.05%的最佳PCE，优于基于mPh4F-TT（16.88%）和mPh4F-ST（17.57%）的器件。值得注意的是，大于18%的PCE是目前基于硒吩NF-SMAs的效率最高值之一，也是报道的二元体系中NF-SMAs最佳结果之一。这项数据表明，精确操纵π核中的硒吩并结合侧链是实现OSCs高JSC和FF的有效途径。

图3. 不同器件的外量子效率与能量损失

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文献总结

综上，该工作通过精确调控π核中的硒功能化，可以进一步提高器件的光电性能和优化薄膜形貌，也为后续的新型受体分子设计提供了新的策略。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，题为“Precise Control of Selenium Functionalization in Non-Fullerene Acceptors Enabling High-Efficiency Organic Solar Cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，非富勒烯受体，电荷传输，硒功能化。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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