北理工王金亮&安桥石团队Angew:无区域异构端基六卤化小分子受体制备高效有机太阳能电池

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前言回顾

A-DA'D-A型结构的小分子受体（SMAs）是目前有机太阳能电池（OSCs）研究领域的非常热门的方向，众多该类新型受体材料的问世，大大提高了OSCs的器件性能。为了实现OSCs的商业应用目标，有必要开发性能更加优异的SMAs，并深入了解SMAs的分子间堆积，从而进一步提高OSCs的光电转换效率（PCE）。

具有不同数量卤素原子或不同连接位置的端基卤化是调节分子能级和共混物形态的最常用策略之一。此外，在端基上引入不同种类的卤素原子可以导致SMAs的光电特性的巨大差异。然而，目前市面上的同卤化端基的数量有限，因此，在同一个端基或两个端基上具有两种卤素取代的杂卤代SMAs引起了更多关注。这种异质卤化策略可以结合同一个SMAs中两个不同卤素取代的特性，并微妙地调节异质卤化SMAs的光电特性，这将在相互约束的器件参数之间实现更好的平衡，并提高相应SMAs的最终器件效率。

图1. 分子结构与基本性质

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文献简介

基于上述的考虑，近日，北京理工大学王金亮教授、安桥石特别研究员团队采用逐步氯化/氟化策略成功合成了两个具有良好确定的氟化和氯化位置的新型杂卤化端基，并分别命名为o-FCl-IC和FClFIC。随后，研究人员分别合成了三种基于Y系列中心核的无区域异构体的SMAs：Y-Cl、Y-FCl和Y-FClF，其具有三个不同的杂卤化端基。研究人员系统地探讨了逐步端基杂卤化对SMAs的光电性能、单晶填充、膜形态和光伏性能的影响。随着杂卤化端基中氟取代数目的连续增加（从Y-Cl到Y-FCl和Y-FClF），分子吸收光谱逐渐红移，并且HOMO能级和LUMO能级降低，同时逐渐提高了纯膜中的电子迁移率。

图2.Y-FCl和Y-FClF的三维网络堆积与非共价分子相互间作用

研究人员首次获得了基于Y-FCl和Y-FClF的这些区域规则的杂二卤化/杂三卤化端基的单晶。晶体学分析和密度泛函理论（DFT）计算表明，随着氟取代度的增加，与Y-FCl相比，Y-FClF相邻分子之间不仅保持了原有的晶体体系，而且表现出更好的分子平面性，更短的π−π堆叠距离和更显著的π−π电子耦合。此外，PM6:Y-FClF共混膜在分子堆积上表现出最有序和最优先的取向，在合适的相分离下表现出最强的结晶倾向，并且在三种共混膜中具有最高和最平衡的电荷迁移率。因此，基于PM6:Y-FClF的OSCs器件实现了17.65%的PCE，明显高于基于PM6:Y-FCl（16.00%）和PM6:Y-Cl（14.47%）的器件效率。更重要的是，17.65%的PCE是基于杂卤素SMAs的二元OSCs器件中的最高效率。

图3.不同器件的光伏性能

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文献总结

综上，这项工作表明，精确控制氟/氯原子数和区域规则杂三卤化策略的结合是改善SMAs分子间晶体堆积、优化共混膜形态和提高器件光伏性能的协同方法。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，题为“Regioisomer-Free Difluoro-Monochloro Terminal-based Hexa-Halogenated Acceptor with Optimized Crystal Packing for Efficient Binary Organic Solar Cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，小分子受体，端基卤化，分子堆叠。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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