香港科技大学&香港理工大学《Small》: 新型端基助力高性能二元有机太阳能电池

有机太阳能电池（OPV）已经进入了黄金时代，单结器件的功率转换效率（PCE）超过20%，但与其它已商业化的光伏电池相比仍有差距。为了进一步提高OPV的性能，实现有序的分子堆叠、合适的相分离尺畴和连续的给体/受体（D/A）互穿网络至关重要。从根本上讲，在于对分子的结晶行为、成膜聚集性质和给体/受体的混溶性进行有效调控。

基于“相似相溶”的理念，我们可以通过精确控制分子极性来调节分子间的相互作用。而端基修饰正是一种普遍且有效的分子极性微调策略。在端基中加入吸电子取代基（氟、氯）和给电子取代基（甲基、甲氧基）可以有效地调节光吸收、能级、结晶度和分子极性等性质。此外，不对称的受体设计也是进一步提高OPV效率的一种普遍有效的方法。不对称策略与端基修饰相结合可以实现精准微调分子极性和堆叠模式。

基于上述考虑，来自香港科技大学，香港理工大学和深圳大学的学者们通过对被广泛用于构建高效率OPV体系的非富勒烯受体BTP-BO-4F进行了结构修饰，在之前报道的氟和甲氧基共取代端基(IC-FOMe)基础上进一步引入了一个氟原子，设计合成了名为IC-2FOMe的新型端基，并合成了相应的不对称小分子受体，即BTP-BO-4FO。首先，氟原子的引入微调了分子极性，增强了端基的吸电子能力，从而增强了分子内电荷转移效应，拓宽了吸收光谱。其次，氟原子的引入有助于形成非共价分子间相互作用（F-S、F-H、F-F等），起到调节共混体系形貌，和提高受体分子的电子迁移率的作用。

除了新材料的设计外，添加剂也在调节形貌以获得高 PCE方面发挥着重要作用。我们利用两种常用的添加剂，1-氯萘 (CN) 和1,8-二碘辛烷 (DIO) 来微调活性层的形貌。结果表明，CN 处理后的共混膜具有更小的相尺寸，改善了分子堆积顺序，共混膜的相容性显著提高，取得了0.933 V的高开压和18.62%的出色效率，这是迄今为止基于非对称端基小分子受体二元 OPV 的最高效率之一。相关工作以“A Difluoro-methoxylated Ending-group Asymmetric Small Molecule Acceptor Lead Efficient Binary Organic Photovoltaic Blend”的研究性文章发表在Wiley 的旗舰刊物Small。香港科技大学博士生吴微微和邹博森为共同第一作者；香港理工大学马睿杰博士、深圳大学罗正辉教授和香港科技大学颜河教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然基金和香港RCF基金的支持。

论文链接：

DOI: 10.1002/small.202402793

图1（a）BTP-BO-3FO、L8-BO和BTP-BO-4FO的化学结构;（b）材料在氯仿溶液和薄膜中的吸收曲线;（c） L8-BO和BTP-BO-4FO的静电电势；（d） PM6、L8-BO、BTP-BO-3FO和BTP-BO-4FO的能级分布。

图2（a） PM6、L8-BO和BTP-BO-4FO纯膜的2D-GIWAXS图；（b） PM6、L8-BO和BTP-BO-4FO纯膜沿面内（黑色）和面外（红色）方向的相应强度分布。

图3（a）共混膜的J–V曲线；（b）PCE的正态分布；（c）基于不对称端基小分子受体的OPV器件的性能比较；（d）共混膜的EQE曲线；（e）混合膜的Jph与Veff；（f）共混膜的载流子迁移率。

图4（a）混合薄膜的2D GIWAXS图像；（c）沿面内（红线）和面外（黑线）方向的相应薄膜的GIWAXS强度分布。

图5（a）共混膜的AFM高度图像和相像；（b） L8-BO和共混膜的PL光谱图；（c） BTP-BO-4FO和共混膜的PL光谱图。

综上所述，通过开发一种独特的二氟和甲氧基共取代端基，并应用不对称策略，合成了一种新的小分子受体，命名为BTP-BO-4FO。与L8-BO相比，CV测量、DFT计算和GIWAXS显示出BTP-BO-4FO具有更高的能级和更高的结晶度。进一步使用了两种常见添加剂CN和DIO进行优化，PM6:BTP-BO-4FO显示出明显的参数变化。进行了形态分析和光物理表征以揭示变化的原因。使用CN处理的BTP-BO-4FO共混膜不仅可以减少混合相尺寸的变化，而且可以保持适当的纯畴尺寸，从而增强激子离解和电荷传输。这进一步提高了器件的JSC和FF，最终获得了优秀的18.62%的效率。总之，这项工作表明，非对称端基小分子设计在同时促进电荷分离和实现能级微调方面起到了重要作用，从而提高了有机光电池的效率。

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