浙江大学李昌治团队Angew：不对称氯化非稠环电子受体制备高效稳定的有机太阳能电池

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前言回顾

近年来，有机太阳能电池（OSCs）经历了快速发展，具有代表性的稠环电子受体（FREAs）助力单结OSCs器件获得了超过19%的功率转换效率（PCE）。目前，OSCs需要进一步应对挑战，同时实现高性能、长寿命和低成本的最佳特性，但FREAs的合成步骤繁琐，生产成本高，一定程度上限制了相关应用。非稠环电子受体（NFREAs）如PTIC和PTB4Cl，利用非共价键作为芳香单元之间的构象锁，在保持分子主链平面性和刚性的同时，通过避免化学稠环反应，显示出简化合成路线以及分子的内在光稳定性。然而，尽管NFREAs可以与FREAs的能级和光吸收特性相似，但前者器件的光伏参数，如短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）仍然落后于基于FREAs的器件，因此PCE相对较低。最近，A4T-16与2BTh-2F等NFREAs分子将多取代苯基或二苯胺基等大位阻基团共价连接在分子主链上，率先在非稠环体系中获得三维网络堆积，最终均实现超过15%的PCE，显示出大位阻侧链基团对于调节NFREAs分子凝聚态堆积的显著影响。然而仅依赖大位阻侧链基团不足以继续推动NFREAs的发展，为获得更高性能的NFREAs仍需要发展新的设计原理。

图1.分子结构、静电势特性、光谱性质

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文献简介

基于上述的挑战，近日，浙江大学李昌治教授研究团队报道了两种新型设计和合成的NFREAs：L1和L2，通过氯化二苯胺促进了固体中分子的密集堆叠3D网络，并增强了电荷动力学，成功地将相应OSCs器件的效率提高到16.2%，是目前基于NFREAs组成的器件效率最高值之一，可以与经典FREAs相媲美。研究人员选择了对称和不对称氯化二芳基胺作为三联-并噻吩主链的空间芳香链，分别合成L1和L2。研究发现，芳香链上卤素取代基的调节不仅有助于在固体中构建tic-tac toe 3D堆叠，而且还优化了NFREAs的光电性能，这些特征有助于改善新型受体分子的电荷动力学。

图2.分子构象与堆叠阵列

研究结果显示，与具有四个氯原子的对称L1相比，具有甲基取代一半氯原子的不对称氯化受体L2可以同时提高电流密度和光电压，从而实现更高性能的OSCs，基于PM6:L2的器件PCE为16.2%，明显高于基于PM6:L1的器件（PCE为15.4%）。此外，基于L2的器件在一个太阳当量照射下（没有UV过滤）表现出优异的稳定性，推测T80寿命可达17241个小时。

图3.器件光伏性能测试

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文献总结

综上，该工作不仅开发出两种高性能的NFREAs，同时也证明了有机半导体的新设计原理有助于获得高效、稳定和低成本的OSCs器件。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，题为“Unsymmetrically Chlorinated Non-Fused Electron Acceptor Leads to High-Efficiency and Stable Organic Solar Cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，非稠环受体，结构设计，分子堆叠，形貌调节。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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