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Angew. Chem. :Cl-S相互作用和侧链异构效应平衡小分子给体的结晶性和互混性2022-09-06
有机太阳能电池具有低成本、质量轻、大面积和柔性等优势,是一种非常有前景的绿色光伏技术。全小分子有机太阳能电池因其活性层组分化学结构明确,从而具有更好的器件重现性,对于实现有机太阳能电池的商业化应用具有重要意义。

小分子给体的共轭结构短,且自身易聚集,导致与受体组分互混性差,不利于活性层形成理想的双连续互穿纳米网络形貌。平衡小分子给体的结晶性能和与受体组分的互混性能,实现同时高的电荷迁移率和优异的微观形貌,是提高全小分有机太阳能电池效率的关键所在。

近日,香港城市大学的Alex K.-Y. Jen 教授联合北京理工大学的安桥石教授和韩国高丽大学的Han Young Woo 教授,通过在小分子给体的主链上引入分子内的Cl-S非共价相互作用,显著提高了小分子给体的结晶性能和空穴迁移率。进一步结合侧链局部的非对称异构化策略,巧妙地克服了分子结晶性与互混性的内在制约因素,使全小分子太阳能电池的效率提高到15.73%。

 

 

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分子内的Cl-S非共价相互作用降低了分子内连接单元之间的扭转,提高了分子骨架的平面性。同时,Cl 原子与邻近烷基链之间的位阻效应,提高了噻吩单元的旋转能量势垒,从而有利于稳定小分子给体的分子构象。

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更为重要的是,Cl原子的引入使小分子给体从J-聚集转变为更强的H-聚集, 并且分子内的Cl-S相互作用显著抑制了邻近和远程单键的转动,使整个分子骨架变得更为刚性。这些改变都有利于小分子给体结晶性能和空穴迁移率的提高。

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另外,通过调节烷基链基团在侧链苯环上的位置来提高了小分子给体的表面能和“face-on”取向,不仅增加了给受体组分间的互混性从而形成了均匀的形貌,并且更大程度地维持了受体组分在混合膜中的堆积形态,实现了活性层高而平衡的载流子迁移率。

这种在小分子给体的主链中引入非共价相互作用来增强分子结晶性能并结合侧链优化来平衡互混性能的分子设计策略为高性能的小分子给体的设计提供了新思路。

文信息

Intramolecular Chloro–Sulfur Interaction and Asymmetric Side-Chain Isomerization to Balance Crystallinity and Miscibility in All-Small-Molecule Solar Cells

Dr. Wei Gao, Mengyun Jiang, Ziang Wu, Dr. Baobing Fan, Dr. Wenlin Jiang, Prof. Ning Cai, Prof. Hua Xie, Dr. Francis R. Lin, Prof. Jingdong Luo, Prof. Qiaoshi An, Prof. Han Young Woo, Prof. Alex K.-Y. Jen

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202205168

 

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