南开赵东兵&山大高珂Angew：结构融合策略助力三元有机太阳电池新型客体受体开发-元素有机化学国家重点实验室

研究成果

南开赵东兵&山大高珂Angew：结构融合策略助力三元有机太阳电池新型客体受体开发

来源：X-MOL资讯 发布时间：2023/02/23

有机太阳能电池（OSCs）作为最有前途的下一代清洁能源之一，凭借其独特的优势，如灵活性、重量轻和精细可调性，现已引起学术界和工业界的广泛关注。得益于非富勒烯受体Y6及其衍生物的发展，OSCs的功率转换效率（PCE）目前已达到19%以上。然而，这类二元OSCs器件的开路电压（ V _OC）相对较低，是进一步提高器件效率的主要阻碍之一。在二元混合物中加入第三种组分是提高OSC中 V _OC和 J _SC，从而实现PCE值进一步提高的有效策略。迄今为止，大多数高效的三元体系使用一个给体和两个 稠环电子受体（FREAs）。研究表明，客体FREAs的合理设计对于改善这类三元共混物中的PCE至关重要。

前人的研究证实，添加具有五元碳桥的IDT或IDTT衍生的A-D-A型FREAs作为客体受体，如MOIT-M、4-TIC、MeIC等能够显著改善基于Y6衍生物OSCs的性能。 南开大学赵东兵研究员课题组最近的研究表明，在A-D-A型FREAs中，将五元碳桥替换为六元硅氧桥对吸收光谱和能级的影响几乎可以忽略，但可以改善分子的结晶度、堆积和更高的电荷迁移率，这对优化薄膜形态非常有利，从而提高OSCs的填充因子 (FF)。基于此， 赵东兵研究员联合 山东大学高珂教授等， 将IDT或IDTT衍生的FREAs和硅氧桥接的FREAs的结构进行融合，设计了如图1所示两种新型FREAs，即IDT-SiO-IC和IDTT-SiO-IC。他们期望可以结合两者的优点，进一步精细地微调它们的性能，如能级、分子堆积、混溶性和结晶度等。由于IDT-SiO-IC和IDTT-SiO-IC的吸收光谱与五元碳桥的IDT或IDTT衍生的A-D-A型FREAs相似，预计能够作为客体受体进一步改善基于Y6受体的有机太阳电池性能。此外，相互融合的结构使梯形骨架具有不对称性，这将导致更显著的偶极矩和介电常数，从而有利于增强分子间相互作用并降低激子结合能。

图1. 相关受体结构与光电物理性质

研究中，作者将新设计的两种杂化型FREAs，即IDT-SiO-IC和IDTT-SiO-IC作为客体受体材料与Y6，D18共混应用于三元OSCs中（器件性能如图2所示），其中将IDTT-SiO-IC以14.2wt%比例制备的器件取得了最高18.77%的PCE值， V _OC增加到0.896 V，FF增加到78.37%，表现出优异的器件性能和稳定性。IDTT–SiO–IC作为该三元OSC客体受体的优异性能主要归因于与D18:Y6共混物的互补吸收、改进的结晶性、共混物膜形貌、良好混溶性以及D18、IDTT–SiO–IC和Y6之间的能级匹配。

图2. 相关器件性能比较

综上，南开大学赵东兵课题组与山东大学高珂课题组等合作，开发了结构新颖的杂化型非富勒烯小分子受体材料，并将其成功应用于三元有机太阳能电池中，取得了18.77%的光电转化效率，为目前最高效率之一，该工作突出了五元碳桥和硅氧桥结构杂化以及共轭度单向延伸策略在制造高性能稳定的OSCs中的重要性，为新型客体受体开发提供新的思路。相关研究论文最近发表在 Angewandte Chemie International Edition，通讯作者为南开大学 赵东兵研究员和山东大学高珂教授。为南开大学博士研究生孟飞和博士研究生秦鹰为论文的共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金和科技部重点研发计划的大力支持。

原文：

Structural Fusion Yields Guest Acceptors that EnableTernary Organic Solar Cells with 18.77% Efficiency

Fei Meng, Ying Qin, Yiting Zheng, Zhihan Zhao, Yanna Sun, Yingguo Yang, Ke Gao, Dongbing Zhao

Angew. Chem. Int. Ed ., 2023, DOI: 10.1002/anie.202217173

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