中科院大连化物所Adv. Energy Mater.:氢键辅助的非富勒烯受体分子有序性调控用于高效非退火有机太阳能电池

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【引言】

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近年来,通过吸收范围和能级位置调控,非富勒烯受体(NFA)材料的开发取得了巨大进展,将有机太阳能电池(OSC)的发展推向了新篇章。其中,以ITIC及其衍生物为代表的NFA分子具有A-D-A型{attr}4214{/attr}——“D”是刚性稠环富电子单元,“A”是拉电子的IC单元,取得了很高的OSC效率,但仍然存在一些缺陷,如相对低的最低未占据分子轨道(LUMO)、较低的电子迁移率和较弱的结晶性。特别是ITIC分子较弱的结晶性不利于活性层共混薄膜的晶区纯度和相分离,需要额外的热退火(TA)以改善分子排列的有序性。为此,人们一直致力于通过调控D单元或对末端IC单元进行官能化来修饰ITIC分子。然而,这些工作主要集中在调节分子的吸收范围和能级位置以寻求与高效给体高分子更为匹配的受体材料;受体的分子排列行为及有序性并未得到明显改善,因此基于这些受体的器件仍然需要TA处理。尽管一些取代基被认为提供了较弱的分子间相互作用(例如IT-4F中的F···H)来增加分子堆积,但是进一步增强分子间相互作用从而提高ITIC基受体分子的结晶度仍然吸引了大量的研究兴趣且极具挑战性。由于ITIC类分子主要是通过相邻分子末端的IC单元形成π-π堆积结构,因而对IC单元的官能化以增强分子间有序排列是提高此类受体结晶度的有效方法。


【成果简介】


近日,中国科学院大连化学物理研究所郭鑫研究员李灿院士团队共同通讯作者)合成了两个羟基官能化的NFAs,即带有一个羟基的IT-OH和带有两个羟基的IT-DOH,以调节分子的排列和结晶度。与ITIC相比,IT-OH和IT-DOH具有更有序的分子排列和更高的结晶度,这可以归因于羟基诱导的分子间氢键的形成。这些分子间氢键延长了分子共轭平面,并进一步通过π-π相互作用导致了长距离有序结构的形成。通过与具有适当的结晶度和共混性的给体聚合物匹配,基于IT-DOH的非退火OSC可以提供12.5%的效率,并具有良好的器件稳定性。这项工作通过引入羟基来调节分子堆积和结晶度,为NFA的分子设计提供了一种新策略。该成果以题为H-Bonds-Assisted Molecular Order Manipulation of Nonfullerene Acceptors for Efficient Nonannealed Organic Solar Cells发表在了Adv. Energy Mater.上。


【图文导读】




图1 分子间堆积模型的分子结构和示意图

a)典型的ITIC基受体分子(IC单元上有不同取代基团)。

b-d)ITIC(b),IT-OH(c)和IT-DOH(d)的分子间堆积模型示意图。






图2 ITIC、IT-OH、IT-DOH的紫外-可见吸收光谱

ITIC、IT-OH、IT-DOH在a)氯苯溶液(10-5 M)和b)薄膜中的紫外-可见吸收光谱。






图3 ITIC、IT-OH和IT-DOH薄膜性质

ITIC、IT-OH和IT-DOH薄膜的原子力显微镜(AFM)高度图像(5 µm×5 µm,a-c),HRTEM图像(d-f)和2D GIXD图像(g-i)。






图4 ITIC、IT-OH和IT-DOH薄膜的傅立叶变换红外(FTIR)吸收光谱






5 J-V曲线和EQE光谱

a)基于PBDB-T:三种受体的非退火OSCs的J-V曲线和相应的EQE光谱。

b)PM6:IT-DOH的非退火OSCs的J-V曲线和EQE光谱。






6 PBDB-T与ITIC、IT-OH和IT-DOH的混合性质

PBDB-T与ITIC、IT-OH和IT-DOH的混合膜的AFM高度图像(a-c),相位图像(d-f)(1 µm×1 µm)和2D GIXD图像(g-i)。




小结


总之,团队提出了将羟基引入NFA中以实现高效非退火的OSCs。与经典的ITIC相比,所得的带有单羟基的受体IT-OH和带有双羟基的IT-DOH显示出更有序的分子排列和更高的结晶度,这归因于分子间氢键的形成。与形成双分子氢键的IT-OH相比,IT-DOH可以表现出交替的多分子氢键相互作用,这可由FTIR光谱证实,显示出比IT-OH更好的结晶度。基于IT-DOH的非退火OSCs可获得12.5%的器件效率,且具有良好的器件稳定性,这归因于羟基官能化受体的有序分子排列改善了共混膜的结晶行为。团队的工作为设计更多具有增强的分子排列和结晶度的NFAs提供了独特的策略,从而无需热退火的情况下即可实现高性能OSCs。

文献链接:

H-Bonds-Assisted Molecular Order Manipulation of Nonfullerene Acceptors for Efficient Nonannealed Organic Solar Cells(Adv. Energy Mater., 2020,DOI:10.1002/aenm.201903650)

本文由木文韬供稿。



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