郑庆东&刘烽Joule：记录效率！M系列受体分子助力高效有机太阳能电池

“face-on”分子取向对于具有有效垂直载流子传输的光伏材料至关重要，但要了解其分子结构如何控制取向仍然具有挑战性。近日，中科院福建物构所郑庆东研究员，上海交通大学刘烽研究员报道了一种新的策略来控制梯形杂庚烯非富勒烯受体的分子聚集和取向，方法是通过调节benzo[1,2-b:4,5-b’]bis(4-H-dithieno[3,2-b:20,30-d]pyrrole)单元上的体积较大的相邻侧链来控制分子的聚集和取向。

       为了研究侧链的体积对非富勒烯受体光伏性能的影响，研究人员在中心核的sp2杂化桥氮原子上连接了两条不同的侧链，即2-己基癸基和n-十六基。2-己基癸基和正十六烷基链具有相同的碳原子数，但在靠近π-共轭主链的区域，前者比后者分支更大。

       两个目标非富勒烯受体（M3和M32）都具有典型的ADA型化学结构，中心有一个梯形富电子单元（BDTPT），末端有两个含氟缺电子单元2-(5，6-difluoro-3-oxo-2,3-dihydro-1H-inden1-ylidene) 丙二腈（INCN2F），以及在π-共轭骨架两侧有四条可溶性侧链。

通过用支化的2-己基癸基链取代线性正十六烷基链，可以将非富勒烯受体的分子取向从edge-on 到face-on，因此，与M32基器件（PCE，5.67%）相比，使用2,9-bis(3-(dimethylamino)propyl)anthra[2,1,9-def:6,5,10-d’e’f’]diiso-quinoline-1,3,8,10(2H,9H)-tetraone（PDIN）作为电子传输层（ETL）的M3基器件的垂直电荷传输得到了改善，并且PCE显著提高到了14.50%。

       此外，研究人员使用共轭聚电解质(聚[(9,9bis(3’-((N,N-dimethyl)-N-ethylammonium)-propyl)-2,7-fluorene)-alt-5，50-bis(2，20thiophene)-2，6-naphthalene-1，4，5，8-tetracaboxylic-N，N’- di(2-ethylhexyl)imide]dibromide（ PFNDI-BR）作为ETL，对基于M3的器件进行进一步优化，PCE提高到16.66%，这是迄今为止，所报道的ADA型非富勒烯受体的最高PCE。研究人员还研究了sp2-杂化氮取代对光学和电化学性质以及载流子传输，电荷产生和复合动力学的影响。

       该研究提出的分子取向控制策略将指导其他许多高性能非富勒烯受体的创新设计和合成。

       Ma et al., Efficient Organic Solar Cells from Molecular Orientation Control of M-Series Acceptors, Joule (2020) DOI：10.1016/j.joule.2020.11.006
       https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.11.006