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Angew. Chem. :“大环包裹” 策略助力非稠环有机光伏受体2024-01-21
有机太阳能电池(OSCs)因其质量轻、大面积加工、柔性和半透明等独特的优势,近年来广受关注。以Y6为代表的稠环电子受体已将有机光转换效率(PCE)提升至19%,促使有机光伏的快速发展并达到了商业化应用的基本要求。然而受体分子的合成成本、稳定性等因素将逐渐成为研究工作需要考虑的重点。

以简单/非稠环单元构筑的电子受体能够有效的降低大共轭分子骨架的合成复杂性,有望实现高性能与低成本的兼顾。前期工作中,河南大学宋金生教授与北京师范大学薄志山教授针对该问题,从极简的四联噻吩骨架着手,报道了系列4T类完全非稠环电子受体(FNEAs)(Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2101742),其中4T-3分子获得了优异的光伏性能-成本效益品质因子,然而该结构扭曲的分子骨架严重制约了其高效电荷传输通道的构筑和短路电流密度(Jsc)。随后,研究者发展的大位阻基团策略实现了主链的平面性(如A4T-16),但是由于侧链的位阻效应与π-π作用的竞争会造成分子构象的多样性(如2T2Se-F),进而影响分子平面性。因此,发展兼具平面性、构象单一性的分子设计策略对发展FNEAs至关重要。

 

 

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近日,河南大学宋金生教授课题组进一步对四联噻吩骨架修饰衍生,提出了一种“大环包裹”的精准分子构筑策略,获得了平面化、单一的分子构象及紧密有序的电子传输通道,建立了研究四噻吩以及非稠环电子受体光电性质的分子模型,实现了高效的光电转换效率及可与Y系列分子媲美的Jsc数值。

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单晶结构表明,共价大环侧链可以完美地包裹分子的中心骨架,有效地抑制了分子的聚集并实现分子构象平面化、稳定化、单一化,进而借助端基堆叠(A/A和A-π/π-A两种堆积模式)获得紧密的π-π堆积,保证高效电荷传输通道的构筑。

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最终,基于R4T-1的有机光伏器件实现了超过15.10% 的PCE,JSC达到了25.48 mA/cm2。研究结果表明,简单四联噻吩结构,通过精准的分子设计,可以有效拓宽分子的吸收光谱,探索分子性能极限,获得具有高光伏性能的四噻吩受体体系。总之,“大环包裹”的分子设计策略将为FNEAs的深入而系统的研究提供理想的分子模型,同时也为高性能FNEAs的设计提供了一种新的分子设计思路。

文信息

Macrocyclic Encapsulation in a Non-fused Tetrathiophene Acceptor for Efficient Organic Solar Cells with High Short-Circuit Current Density

Shuaishuai Shen, Yu Mi, Yanni Ouyang, Yi Lin, Jingjing Deng, Wenjun Zhang, Jianqi Zhang, Zaifei Ma, Chunfeng Zhang, Jinsheng Song, Zhishan Bo

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202316495

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