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华侨大学魏展画/高威课题组：侧链环化提高受体分子的刚性和π-π堆积实现19.1%的铸态有机太阳能电池

文章来源: 中国科学：化学 • • 学术新闻 • 阅读 231
有机太阳能电池（OSCs）因其重量轻、机械柔性和半透明等独特优势而备受青睐。目前，大多数OSCs的活性层依赖于添加剂及热/溶剂退火等后处理手段来调控其微观形貌。铸态薄膜中存在分子间π-π堆积强度和有序性不足，给受体相分离不充分、尺寸和纯度不佳等问题。结果通常是活性层质量差，产生大量缺陷，电荷复合显著，导致铸态OSCs的PCE普遍较低。另外，添加剂和退火处理潜在地增加了OSCs的商业制造成本。因此，制备高性能的铸态OSCs，对于未来商业应用尤为重要。
增强受体分子间的聚集性质是提高铸态OSCs效率的可行途径之一。华侨大学魏展画/高威课题组设计合成了四个硒吩功能化的小分子受体（图1），即环丁烷（Cb）取代的Se-Cb、环戊烷（Cp）取代的Se-Cp、环己烷（Ch）取代的Se-Ch和环庚烷（Chp）取代的Se-Chp。旨在通过环状烷基链的环张力提高受体分子的刚性，协同硒原子取代共同作用增强分子间堆积性质。

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图1. (a)侧链环化策略和受体分子结构; (b)归一化薄膜吸收光谱; (c)玻璃化转变温度和DMT值(160 ℃); (d) HOMO和LUMO能级; (e)荧光淬灭光谱。
Se-Cb单晶（图2）表现出最小的π-π堆积间距，随着环状烷基链碳数从Cb增加到Chp，π-π堆积间距逐渐增加，堆积框架结构从3D逐步转为2D。具有偶数碳原子环状烷基链取代的小分子受体展现出更好的空间对称性，其有序堆叠性能优于奇数碳原子环状烷基链取代的小分子受体。另外，D18/Se-Cb形成了更均匀的垂直相分离形态，促进了载流子的平衡传输，并显著抑制了亚纳秒级的双分子复合，从而提升了短路电流（JSC）和填充因子（FF）。基于D18/Se-Cb的铸态器件实现了19.1%的PCE，显著高于D18/Se-EH器件的17.8%，创下当前最高效率记录。

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图2. 小分子受体单晶结构分析。
综上，华侨大学魏展画/高威课题组设计并合成了四种环状侧链取代的含硒小分子受体：Se-Cb、Se-Cp、Se-Ch和Se-Chp，制备了高效的铸态有机太阳能电池。基于Se-Cb的铸态有机太阳能电池实现了19.1%的PCE，经认证为18.45%,是目前铸态有机太阳能电池的最高值。该工作系统性地探究了环状烷基链对小分子受体性能和光伏性能的影响，并发现环丁基具有很好的潜力。
该工作以“Side-Chain Cyclization Enhancing Molecular Rigidity and π-π Stacking Yields As-Cast Binary Organic Solar Cells with 19.1% Efficiency”为题，在线发表于Science China Chemistry。文章第一作者为华侨大学发光材料与信息显示研究院硕士生李浪，通讯作者为华侨大学发光材料与信息显示研究院魏展画教授、高威研究员和香港理工大学卓越博士后马睿杰博士。

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