非稠環(huán)電子受體由于具有合成路線簡便、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)勢，被視為低成本有機太陽能電池活性層材料的最佳候選者之一。近些年來，大量的報道集中于設(shè)計開發(fā)新型非稠環(huán)共軛骨架，使其擁有媲美于稠環(huán)電子受體的高共平面構(gòu)象，合適的前線軌道能級以及較寬的光子吸收窗口。然而，基于該類受體材料的光伏器件效率尚落后于稠環(huán)電子受體。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，開展非稠環(huán)電子受體的側(cè)鏈研究，調(diào)控分子聚集態(tài)和薄膜形貌將有助于繼續(xù)提高其光伏性能。 近日，中國科學(xué)院大學(xué)黃輝教授&張昕副教授團隊在調(diào)控非稠環(huán)電子受體組裝行為方面取得了重要進展。通過精細(xì)調(diào)控烷基側(cè)鏈長度和對稱性，開發(fā)了一系列非稠環(huán)電子受體DPA-n（n = 3, 4, 5）（圖1）。其中，具有不對稱的中等烷基鏈長度取代的DPA-4表現(xiàn)出最高的薄膜吸收系數(shù)，這表明了其在固態(tài)下具有最緊密的分子堆積。單晶結(jié)構(gòu)分析表明，相對于具有最短烷基側(cè)鏈的受體分子DPA-3，DPA-4具有更優(yōu)異的電子傳輸網(wǎng)絡(luò)和較高的堆積系數(shù)，這主要是得益于多重分子間弱相互作用（C=O···H和S···F）構(gòu)筑的“互鎖”平面（圖2）。然而，進一步增長烷基鏈長度，對稱烷基取代的DPA-5則具有較小的堆積系數(shù)（64.4%），小于不對稱烷基取代DPA-4的67.2%。以上結(jié)果表明烷基鏈的長度和對稱性在調(diào)控分子堆積中具有很重要的作用。
圖1. 分子結(jié)構(gòu)與合成路線圖。 圖2. 分子堆積模式與晶體中的三維堆積網(wǎng)絡(luò)。 此外，D18:DPA-4共混膜具有更高效的電荷傳輸、更低的能量損失和合適的相分離，最終獲得高達16.67%的器件效率，是目前基于非稠環(huán)電子受體有機光伏器件的最高值之一（圖3）。該工作展示了非稠環(huán)電子受體材料的應(yīng)用潛力，并為調(diào)控分子聚集態(tài)提供了新的思路。 圖3. 光伏器件性能及機理研究。 論文信息 Precisely Manipulating Molecular Packing via Tuning Alkyl Side-Chain Topology Enabling High-Performance Nonfused-Ring Electron Acceptors Ziyang Han, Cai’e Zhang, Tengfei He, Jinhua Gao, Yuqi Hou, Xiaobin Gu, Jikai Lv, Na Yu, Jiawei Qiao, Sixuan Wang, Congqi Li, Jianqi Zhang, Zhixiang Wei, Qian Peng, Zheng Tang, Xiaotao Hao, Guankui Long, Yunhao Cai, Xin Zhang, Hui Huang 論文的第一作者為博士生韓子陽，共同第一作者為張彩娥博士、南開大學(xué)何騰飛博士。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202318143
