CCS Chemistry | 化学所侯剑辉团队：基于低能量无序度受体材料的高效率有机太阳能电池

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中国科学院化学研究所侯剑辉研究团队通过分子设计降低能量无序度，报道了新型的非富勒烯受体材料，制备了具有突出光电转化效率的有机太阳能电池。研究人员采用三异丙基苯修饰的吡咯基团取代IT-4F上的二苯基环戊二烯，设计合成了TBB受体。研究表明，TBB比IT-4F具有显著降低的能量无序度（23.2 vs 32.7 meV），基于PBQx-TF:TBB电池的非辐射能量损失仅为0.22 eV，获得了16.2%的光电转换效率，这是非Y6系列的最高值之一。这项工作表明，通过理性的分子设计降低能量无序度是提升有机太阳能电池效率的重要方法。

背景介绍：

有机太阳能电池（OSCs）集成了轻质、柔性、可半透明、适用于溶液印刷工艺等众多优点，在多场景的便携式能源供给方面具有广阔的应用前景。近年来，得益于给受体新材料的不断创新，OSCs的光电转化效率（PCEs）取得了持续性的突破。然而，与无机硅和有机/无机杂化钙钛矿材料等相比，有机半导体的能量无序度较大，成为限制效率进一步提高的主要问题之一。理论上，有机半导体材料的能量无序度源于多种因素，包括弱的分子间相互作用、化学缺陷和构象变化等。降低能量无序度可以增强电荷传输，减少复合，从而抑制能量损失。然而，目前仅有少数如Y6类受体展现出相对较低的能量无序度，亟需发展相应的分子调控策略。

本文亮点：

在国家自然科学基金委和中国科学院的支持下，中国科学院化学研究所侯剑辉团队，通过将IT-4F的sp3杂化碳基团替换为三异丙基苯修饰的吡咯单元，设计了梯形结构的新型非富勒烯受体TBB，其合成路线如图1所示：

图1. (a) IT-4F和 TBB的分子结构. (b) TBB分子的合成路线

图2展示了通过气相扩散法获得的TBB单晶结构，可以看出受体端基与核之间的扭转角为11.3°，氧原子与外侧噻吩硫原子之间的距离为2.64 Å，表明TBB有较强的分子内非共价相互作用，有助于保持平面性。端基之间的π-π距离约为3.30 Å，是非富勒烯受体中最紧密的堆积之一，对抑制能量无序度有积极的影响。从溶液态到薄膜态，TBB的最大紫外可见吸收峰有100 nm的红移，表明薄膜态中形成了十分有序的堆积结构，这一点也从结晶性表征中得以验证。

图2. TBB的单晶结构

如图3所示，TBB的能量无序度比IT-4F大幅降低，其乌尔巴赫（Eu）仅为23 meV（相比之下，IT-4F的Eu为33 meV）。在电池中，PBQx-TF:TBB器件的载流子迁移率相比PBQx-TF:IT-4F提升了2倍，电致发光效率从4.0×10-6提升到1.6×10-4，缺陷态密度也得到显著降低。最终，基于PBQx-TF:TBB的器件实现了16.2%的PCE，远超PBQx-TF:IT-4F器件的11.5%，这是采用非Y6受体制备OSCs的最高值之一。

图3. (a) J-V曲线. (b) EQE 相应和相应的积分电流. (c) 快载流子迁移率测试. (d) EQEEL曲线. (e)高灵敏 EQE. (f) C−2-V曲线。

总结与展望：

综上所述，本文通过将IT-4F的sp3杂化碳基团替换为三异丙基苯修饰的吡咯单元，设计合成了一种新型非富勒烯受体TBB。TBB具有较低能量无序度（23.2 vs 32.7 meV），可显著提升电池性能。基于PBQx-TF:TBB的电池，其非辐射能量损失仅为0.22 eV，光电转换效率达16.2%，这是目前报道非Y6系列的光电转换效率最高值之一。本工作为开发更高效的有机太阳能电池提供了重要的分子调控策略。相关成果以Research Article的形式发表在CCS Chemistry。第一作者是中国科学院化学研究所博士后李孜，通讯作者为侯剑辉研究员和东南大学姚惠峰教授。

文章详情：

A New Nonfullerene Acceptor with Suppressed Energy Disorder for High-Efficiency Organic Solar Cells

Zi Li, Huifeng Yao*, Zhihao Chen, Wenxuan Wang, Yang Xiao, Jianqiu Wang, Junzhen Ren, Tao Zhang, Jiayao Li and Jianhui Hou*

Cite this by DOI: 10.31635/ccschem.024.202303631文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.024.202303631

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原标题：《CCS Chemistry | 化学所侯剑辉团队：基于低能量无序度受体材料的高效率有机太阳能电池》

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