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Angew. Chem. :中心单元共轭扩展及氟化的CH系列高效受体CH系列分子2022-10-02
最近,具有A-D-A结构的Y系列非富勒烯受体(NFAs)促使有机太阳能电池(OSCs)的光电转换效率(PCE)提升至19%以上,在可再生能源领域引起广泛的关注。得益于Y系列分子独特的D-A特征以及在薄膜状态下形成的三维网络堆积结构,基于Y系列NFAs的OSCs在非常小的驱动力下能够高效地产生电荷,同时大大降低器件的能量损失,进而获得优异的光伏性能。

为了进一步设计更高性能的小分子受体,研究人员对目前的明星分子Y6进行了各种化学修饰,包括侧链调节,原子替换,末端基团以及桥联噻吩单元的修饰,这一系列行之有效的方法,促使OSCs的PCE不断获得新的突破。然而,对Y6中心核的修饰却鲜有报道,这可能是由于Y6中心核(苯并噻二唑)缺乏的修饰位点以及构建其它中心核单元带来的合成上的挑战性造成的。考虑到,Y系列分子的中心核单元已经被充分地证明了在参与分子堆积,调节分子形貌上发挥的重要作用,对中心核的修饰将会对OSCs的光伏性能带来更加显著地影响。因此,发展一种新型的中心核构建方法,提供更多的中心核修饰位点,助力有机光伏的进一步发展是一件十分有意义并且充满挑战的事情。此外,末端基团以及侧链卤化可以显著提高OSCs的器件性能,如果将卤化策略运用到参与分子堆积的中心核单元,OSCs的器件性能将会获得进一步提高,甚至获得器件性能新的突破。

 

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基于以上想法,近日,南开大学的陈永胜教授、姚朝阳研究员和东华大学的马在飞研究员合作,在CH17及其它CH系列分子的基础上(Sci. China Chem. 2022, 65, 1362-1373; Energy Environ. Sci. 2022, DOI: 10.1039/D2EE01340A; Chinese J. Polym. Sci. 2022, 40, 921–927),设计并合成了两个中心核共轭扩展的并且具有A-D-A特征的新型CH 系列NFAs(CH4和CH6),并系统研究了它们的光电性能。

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作者将苯并噻二唑先还原后氧化,紧接着和二胺原位缩合,提供了一种构建带有多重修饰位点的中心核单元的新方法。结果显示,与CH4相比,中心核单元氟化的CH6表现出下移的能级、加强的分子间π-π相互作用、增强的结晶性,从而在混合膜中表现出优异的纤维纳米互穿网络结构形态。因此,基于CH6的混合膜表现出更高的激子解离,抑制的双分子重组,更有效的电荷转移和传输。最终,基于PM6:CH6的二元OSC器件获得了高达18.33%的PCE( VOC: 0.875 V, JSC: 26.62 mA cm-2, FF: 78.4%), 明显高于基于PM6:CH4的二元器件16.42%的PCE(VOC:0.888 V,JSC:26.11 mA cm-2,FF:71.1%)。

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综上,该工作提供了一种构建带有多重修饰位点的中心核单元的新方法和高效的系列CH分子,揭示了中心核单元氟化在提升基于Y系列NFAs的OSCs性能上的巨大作用,并为此后高性能分子的设计提供了有效的策略。

文信息

Central Unit Fluorination of Non-Fullerene Acceptors Enables Highly Efficient Organic Solar Cells with Over 18 % Efficiency

Hongbin Chen,Huazhe Liang,Ziqi Guo,Yu Zhu,Zhe Zhang,Zhixiang Li,Xiangjian Cao,Haohui Wang,Wanying Feng,Yalu Zou,Lingxian Meng,Xiaoyun Xu,Bin Kan,Chenxi Li,Zhaoyang Yao,Xiangjian Wan,Zaifei Ma,Yongsheng Chen

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202209580

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