海歸學者發起的公益學術平臺
分享資訊，整合資源
交流學術，偶爾風月
研究者透過調節M系列受體側鏈上強電負性-C2F5基團的位置，實現了對材料最低未佔分子軌道（LUMO）能級的精準調控，避免了側鏈氟化對能級的不利影響，提升了器件的開路電壓和光電轉換效率（PCE）。相關成果近期發表於《國家科學評論》(National Science Review, NSR)，中國科學院福建物質結構研究所邢凱辰為論文的第一作者，中國科學院福建物質結構研究所馬雲龍研究員和南京大學鄭慶東教授為共同通訊作者。
傳統有機光伏材料設計中，側鏈氟代就像一把“雙刃劍”。引入氟化側鏈可增強電子受體材料的分子間π-π堆積，改善電荷傳輸效能，但通常會導致LUMO能級下移，從而降低器件的開路電壓（VOC），不利於器件效率的進一步提升。針對這一挑戰，該文設計併合成了-C₂F₅基團位於不同位置的部分氟化烷基鏈（圖1），並由此構築了兩個A-D-A型的M系列受體材料（MC7F5和MC9F5）。
圖1、(a) MC7F5和MC9F5的分子結構; (b) MC7F5和MC9F5的ESP分佈和能級的理論計算結果; (c) 稠環骨架上原子的平均ESP
研究發現，將氟化-C2F5基團置於離π共軛稠環骨架更遠的位置，可減少強電負性-C2F5基團對最終受體MC9F5電子雲分佈的影響，從而降低了稠環共軛骨架的平均表面靜電勢（ESP）。與MC7F5相比，MC9F5具有更淺的LUMO能級（-3.54 eV vs. -3.57 eV），相應的光伏器件表現出更高的電荷轉移態能級（1.44 eV vs. 1.38 eV）。能級結構的最佳化有效抑制了器件的輻射與非輻射覆合損失，最終將VOC從MC7F5器件的0.83 V提升至MC9F5器件的0.88 V。
圖2、(a) J-V 曲線; (b) 基於已報道線性A-D-A型電子受體器件的效能引數彙總; (c) EQE譜圖; (d) 器件的Jsc與光強的依賴關係; (e) 模組器件圖片; (f) 基於MC9F5的模組器件的電流-電壓（I-V）曲線
此外，延長氟化側鏈的長度可以更有效地抑制MC9F5分子的過度聚集，從而形成具有理想奈米尺度相分離形貌的混合膜。這種形貌有助於實現更平衡的電荷傳輸，並有效抑制雙分子複合，從而使基於MC9F5的器件的填充因子（FF）達到80.14%，高於MC7F5器件的78.85%。得益於更高的Voc和FF，基於PM6:MC9F5的電池器件最高實現了18.02%的PCE，這是A-D-A型稠環電子受體的最高記錄之一。MC9F5良好的聚集特性使其同樣適用於大面積器件製備，在面積為11.09平方釐米的模組器件中實現了15.66%的PCE。該研究為開發高效能A-D-A型稠環電子受體材料提供了一種簡便而有效的分子設計策略。
點選“閱讀原文”閱讀原文。
擴充套件閱讀
媒體轉載聯絡授權請看下方