Angew. Chem. ：新型碘取代电子受体材料有望进一步推进有机光伏效率发展

卤素取代是有机光伏材料发展中常用的分子设计策略。卤化可精确调控分子能级和吸收光谱，优化分子的聚集结构，从而提高器件的光伏性能。目前大量研究显示，基于氟化和氯化电子受体材料的光伏器件仍存在较大的能量损失，这限制了有机光伏电池效率的进一步发展；少量关于溴取代电子受体材料研究表明，大尺寸卤素原子可以有效降低器件的能量损失，而碘取代的电子受体材料迄今为止未见报道。

近日，中国科学院化学研究所侯剑辉与北京科技大学张少青将有机光伏分子卤化策略进一步拓展。他们将碘原子引入端基部分设计合成了非富勒烯受体BO-4I。借助碘原子的大原子半径以及离域电子轨道，实现了激发态离域和激子扩散的增强，使激子可通过纯受体相区的离域激发态（i-EX）直接解离成自由载流子，从而大幅降低了器件中电荷转移态（CT）相关的非辐射能量损失。

图1. （a）氟原子和碘原子的原子半径。（b）氟化和碘化端基的静电势分布。（c）碘化端基的合成路线。（d）BO-4F和BO-4I的分子结构及其静电势分布。

以氟化电子受体材料为对比，碘原子更低的电子亲和力和离域的电子轨道可有效降低端基的拉电子能力，从而调控给/受体之间的分子间相互作用（图1）。另外，碘原子的引入不会显著影响分子能级，而薄膜中的激子扩散长度显著提高到约80nm (图2)。

图2. BO-4F和BO-4I的激子扩散长度。

基于PBDB-TF:BO-4I的有机光伏电池可实现0.925 V的开路电压, 25.7 mA cm^-2的短路电流密度, 0.797的填充因子，能量转换效率达到18.9%。相较于BO-4F体系（0.840 V）在开路电压上有明显提高，这表明碘化可有效降低器件中的能量损失。瞬态吸收光谱显示，基于BO-4I的异质结中存在增强的i-EX响应，且相较于BO-4F体系表现出更长且稳定的弛豫寿命（图3）。这表明碘化可增强受体分子相区内的激发态离域，同时降低了给/受体间的相互作用，使激子倾向于通过i-EX态解离成自由电荷。这削弱了CT态解离所涉及的电荷复合过程。

图3. （a）PBDB-TF:BO-4I瞬态吸收光谱。（b）i-EX动力学对比。（c）基于CT态和i-EX态的激子解离过程示意图。（d）二元器件非辐射能量损失统计。

碘取代分子设计策略可大幅提高分子的发光效率。BO-4I在溶液中的荧光量子效率达到了49.1%，且PBDB-TF:BO-4I器件的电致发光外量子效率提高至6.6×10^-4，对应的非辐射能量损失降低至0.189 eV，为二元有机光伏器件的最低水平（图3）。这项工作表明，碘化是进一步降低有机光伏电池能量损失的有效手段，为高性能有机光伏分子设计提供了新的策略，有望推进有机光伏领域光电转换效率的进一步发展。

论文信息

Iodinated Electron Acceptor with Significantly Extended Exciton Diffusion Length for Efficient Organic Photovoltaic Cells

Dr. Zhihao Chen, Prof. Shaoqing Zhang, Tao Zhang, Junzhen Ren, Jiangbo Dai, Huixue Li, Dr. Jiawei Qiao, Prof. Xiaotao Hao, Prof. Jianhui Hou

本工作第一作者为中国科学院化学研究所博士后陈志豪，通讯作者为北京科技大学张少青副教授及中国科学院化学研究所侯剑辉研究员。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202317892