CCS Chemistry | 李韦伟、丁黎明：简单制备六臂螺旋桨型电子受体及其在高性能有机太阳能…

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近日，北京化工大学材料学院李韦伟教授团队联合国家纳米科学中心的丁黎明研究员团队联合开发了一种基于Y系列电子受体的新型简单低聚电子受体DT-6IC，其通过简单的合成步骤制得，展现出优异的溶解性，可用于调节光活性层的微观结构，以实现高性能的有机太阳能电池。DT-6IC的独特“三叶螺旋桨”结构，每个Y受体单元作为一个叶片，形成高度扭曲的共轭骨架，不仅提高了溶解性，还通过其三维结构增强了电子传输。以DT-6IC为第三组分的三元电池实现了19.04%的高效率，较二元电池的17.75%获得了显著提升。这项工作不仅提供了一种简单的合成方法来获得高溶解性低聚物电子受体，还展示了这些三维扭曲受体在实现高性能有机太阳能电池方面的巨大潜力。

背景介绍：

近年来，有机太阳能电池因其成本低、可溶液加工和可柔性化等优势，成为新能源领域的研究热点。在有机太阳能电池中，电子受体材料扮演着至关重要的角色，它们与电子给体材料相互作用，通过吸收光子产生激子，进而分离成自由电子和空穴，最终实现电能转换。然而，传统的电子受体材料如富勒烯衍生物等存在合成复杂、稳定性差、光电转换效率低等问题，限制了有机太阳能电池的商业化应用。

为了解决这些问题，研究者们开始探索非富勒烯小分子电子受体和聚合型小分子电子受体。这类材料具有高稳定性、低电压损失和可调节的光电性能等优势。特别地，基于Y型骨架的小分子电子受体因其独特的结构和良好的光电性能而备受关注。然而，进一步提高这些受体的溶解度和光电转换效率仍然是研究的难点。

图1. DT-6IC结构式

本文亮点：

该研究团队设计的这种新颖的六臂螺旋桨形电子受体DT-6IC，不仅合成过程简单，并且通过引入长DT侧链和扭曲的三维骨架，显著提升了其在有机溶剂中的溶解度。相比其他传统电子受体，DT-6IC展现了超过100 mg/mL的高溶解度，这得益于其分子结构的独特设计。通过密度泛函理论计算验证，DT-6IC的分子结构不仅优化了其溶解性，还赋予了其优越的电子传输能力。

图2. DT-6IC的理论计算以及合成过程

DT-6IC不仅具有出色的电子传输能力，还与另一电子受体N3展现了卓越的混溶性。通过接触角测量、Flory-Huggins相互作用参数分析以及玻璃化温度的测量，研究团队发现DT-6IC与N3之间的混溶性显著优于D18与DT-6IC的组合。这一优异的混溶性有助于在活性层中形成更加均匀和稳定的相分离结构，进而提升光生载流子的分离和传输效率。此外，DT-6IC的引入还改善了电荷传输的平衡性，使得电子迁移率与空穴迁移率的比值在三元体系中更加接近理想值（1.24），这有利于减少复合损失并提高器件的光电转换效率。

图3. (a) D18、DT-6IC和N3的能级图。DT-6IC、N3和N3:DT-6IC（w/w, 0.9:0.4）在(b)氯仿溶液和(c)薄膜中的紫外-可见吸收光谱。(d) DT-6IC、(e) N3和(f) N3:DT-6IC玻璃化温度。

将DT-6IC作为第三组分引入D18:N3共混薄膜中，形成了D18:N3:DT-6IC三元体系。实验结果显示，三元体系的光电转换效率达到了19.04%，相比二元体系D18:N3的17.75%有了显著提升。这一提升主要归功于开路电压、短路电流密度和填充因子的同步增强。具体来说，开路电压从0.837 V提升至0.854 V，短路电流密度从27.44 mA/cm⊃2;提升至27.97 mA/cm⊃2;，填充因子从77.75%提升至79.71%。这些性能参数的全面优化，充分证明了DT-6IC在提升有机太阳能电池性能方面的巨大潜力。

图4. (a)J-V特性曲线、(b) EQE光谱、(c) Jph-Veff图、(d) 空穴和电子迁移率、(f)基于二元和三元电池的电压-光强依赖性和(f) 电流-光强依赖性

总结与展望：

综上所述，螺旋桨型六臂电子受体DT-6IC，通过引入长DT侧单元增强溶解度，成功应用于有机太阳能电池中。其优越的溶解度、与D18和N3的能级匹配及三维结构增强电子传递，使其在三元电池中实现19.04%的高效率，凸显了DT-6IC的独特优势。这一研究为新型电子受体的开发及其在高性能有机太阳能电池中的应用开辟了新途径。

文章详情：

A 6-ArmThree-Blade Propeller Electron Acceptor for Organic Solar Cells with Efficiency over 19%

Chao Wang, Qiaomei Chen,* Cuifeng Zhang, Bingyu Han, Xucong Liu, Shijie Liang, Bo Wang, Chengyi Xiao, Bin Gao, Zheng Tang, Guanghao Lu, Liming Ding* and Weiwei Li*

Cite This by DOI: CCS Chem. 2024, Just Published. DOI: 10.31635/ccschem.024.202404023

文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.024.202404023

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原标题：《CCS Chemistry | 李韦伟、丁黎明：简单制备六臂螺旋桨型电子受体及其在高性能有机太阳能电池中的应用》

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