富“硒”有机太阳能电池材料的新进展：基于引达省并二噻吩并[3,2-b]硒吩的非卤代小分子稠环电子受体

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研究背景及意义

有机太阳能电池（OSC）因其具有质量轻、体积小、潜在成本低、可柔性批量加工和易于制备半透明器件等优点，受到了广大科研工作者的广泛关注。相比于富勒烯及其衍生物受体，非富勒烯小分子受体（NF-SMA）具有宽而强的吸收光谱、易于调控的能级、相对简单的合成工艺。近年来，基于非富勒烯的小分子稠环电子受体发展迅速，尤其是基于受体-给体-受体（A-D-A）结构的非富勒烯小分子稠环电子受体，其中以“明星分子-ITIC”为代表。为了进一步优化其器件的光伏性能，探究材料分子结构与性能之间的关系，科学的设计合成新型高效的非富勒烯小分子稠环受体材料仍然是需要解决的关键问题。因此，一系列基于分子结构设计策略的非富勒烯小分子稠环电子受体被相继开发报道，这些策略主要包括延长富电子芳香稠环核心的共轭长度（核心工程）、调控核心单元的侧链（侧链工程）、通过引入给电子（CH3）或吸电子基团（F、Cl、Br）来修饰端基单元（端基工程）。随着设计合成的光伏材料不断推陈出新、器件性能以及形貌的不断优化，目前，基于非富勒烯的单节二元有机太阳能电池的光电转换效率已经超过 15%。然而，如何设计合成出能够同时兼顾短路电流密度（Jsc）、开路电压(Voc)、填充因子(FF)的新型材料以获得高效的的有机太阳能电池仍然是我们需要面对的挑战。

成果简介

北京理工大学王金亮教授课题组前期开发了一系列新型的含有硒吩稠环的非富勒烯小分子电子受体材料: BDSeIC、BDSeICBr、BDSeIC2Br（Sol. RRL, 2019, 3, 1800250.）；SeTIC、SeTIC4Cl（ACS Energy Letters, 2018, 3, 2967-2976.）；BDSePhCl、BDSeThCl（Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 11802-11813）。由于这类分子富“硒”，硒原子半径较大、电子更富、电子云易于极化且存在 Se-Se 分子间相互作用，使得这类分子具有较强的分子间电荷转移效应（ICT）以及提升的载荷子迁移率。为了进一步探究硒吩稠环非富勒烯小分子受体材料结构与性能之间的构效关系，该课题组首次设计合成了一种新型的富电子核心 IDTSe，同时通过协同作用的策略，以非卤代的噻吩稠合的 IC 为封端，开发了一种新型的非富勒烯稠环小分子受体 TSeTIC，为深层次的探究材料的光伏器件性能，北京理工大学王金亮教授课题组与四川大学彭强教授课题组在器件方面展开了密切的合作。通过与基于 IDTT 为富电子核心的 TTTIC 相比，硒吩稠环的引入不仅导致了更窄的带隙（1.54 eV）和抬升的 HOMO 能级，而且增强了分子间的堆积以及载荷子迁移率。另外，基于 PM6/TSeTIC 的共混膜（相比于 PM6/TTTIC）经过热退火处理后呈现出较好的有利于分子堆积、激子解离的纳米尺度的相分离形貌，相对平衡的载流子迁移率以及电荷传输过程中具有较弱的电荷重组。结果显示基于 PM6:TSeTIC 的器件（相比于 PM6:TTTIC）经过热退火处理后，表现出一个更高的填充因子（75.9%）、较低的能量损失（0.60 eV）并取得了一个出色的光电转换效率（13.7%）。13.7% 是含有噻吩端基的基于 A-D-A 型非富勒烯小分子受体的二元有机太阳能电池光电转换效率的最高值。研究表明，在富“硒”的 IDTSe 给体核心与非卤代的噻吩端基的协同作用下为有效提升基于非富勒烯的有机太阳能电池的能量转换效率提供了一种新的思路。相关成果以“Achieving high-performance non-halogenated non-fullerene acceptor-based organic solar cells with 13.7% efficiency via a synergistic strategy of an indacenodithieno[3,2-b]selenophene core unit and non-halogenated thiophene-based terminal group”为题发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry A（DOI: 10.1039/C9TA08328F）上。

*北京大学裴坚教授课题组在理论计算方面给予了大力的支持和帮助。该部分研究工作受到国家自然科学基金面上项目、国家海外高层次人才引进计划青年项目、北京理工大学特立青年学者计划等项目的资助。

图文要点

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图 1. TSeTIC 的合成路线

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图 2. a)PM6, TTTIC, TSeTIC 的分子结构; b)线性小分子 TTTIC 和 TSeTIC 在氯仿溶液以及薄膜状态下的吸收光谱；c) PM6, TTTIC, TSeTIC 的能级图

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图 3. a))最佳的 J-V 曲线;；b)EQE 曲线；c）Voc 与光强的关系曲线；d)Jph 与 Veff 的关系曲线

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表 1. 基于 TTTIC or TSeTIC/PM6 器件的光伏参数和载流子迁移率-

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图 4. a) PM6:TTTIC, TA 处理的 PM6:TTTIC, PM6:TTTIC, 和 TA 处理的 PM6:TSeTIC 的 2D GIXD 参数; b)对应的 GIXD 图像的面内以及面外的一维图.

论文信息

  • Achieving high-performance non-halogenated non-fullerene acceptor-based organic solar cells with 13.7% efficiency via a synergistic strategy of an indacenodithieno[3,2-b]selenophene core unit and non-halogenated thiophene-based terminal group
    Kai-Kai Liu, Xiaopeng Xu, Jin-Liang Wang*（王金亮，北京理工大学）, Chao Zhang, Gao-Yang Ge, Fang-Dong Zhuang, Han-Jian Zhang, Can Yang, Qiang Peng*（彭强，四川大学）and Jian Pei                                    
    J.Mater.Chem.A ,2019,7,24389-24399
    http://dx.doi.org/10.1039/C9TA08328F

本报道作者

杨灿 硕士研究生

北京理工大学

注：来源 RSC 


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