最近幾年，非富勒烯受體材料的開發(fā)極大地推動了有機(jī)太陽能電池（OSC）的發(fā)展，其最高能量轉(zhuǎn)換效率超過了18%。從分子結(jié)構(gòu)上來看，高效的非富勒烯小分子材料可以分為兩類，A–D–A型和A2–A1–D–A1–A2型。前者主要以氰基茚酮（IC）衍生物作為A單元，后者以苯并噻二唑（BT）或苯并三氮唑（BTA）作為A1單元，繞丹寧（R）或氰基繞丹寧（RCN）做為A2單元。大量實驗表明，對于A-D-A分子來說，分子間的A-A堆積有利于電荷的有效傳輸，是獲得高效率的關(guān)鍵因素。然而，A2–A1–D–A1–A2型分子結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，分子間相互作用形式多樣，包括同核堆積A1-A1，A2-A2以及異核堆積A1-A2 (如圖1所示)。目前，尚未有合適的方法來調(diào)控該類分子的堆積，更沒有報道來研究不同堆積方式對于分子結(jié)晶性、活性層形貌、能量轉(zhuǎn)換效率的影響。圖1 A–D–A和A2–A1–D–A1–A2型非富勒烯受體材料可能存在的分子間相互作用形式 本研究工作中，作者采用一種簡單的策略，通過改變A2–A1–D–A1–A2型受體分子A2單元上取代基的結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)分子間相互作用方式。計算表明，采用常見的乙基，BTA3分子的堆積方式為異核堆積（A1-A2），通過引入芐基，BTA5的堆積方式變?yōu)橥硕逊e（A2-A2） (如圖2所示)。作者認(rèn)為堆積方式改變的驅(qū)動力主要來自于芐基的苯環(huán)與A1單元上苯環(huán)的相互作用。而苯基取代基由于其較大的空間位阻，妨礙了受體分子BTA4之間的規(guī)整堆積。 圖2 取代基對小分子受體材料堆積方式及光伏性能的影響示意圖 隨后，作者系統(tǒng)研究了受體材料分子間相互作用對有機(jī)太陽能電池性能的影響。根據(jù)其提出的“同A策略”（Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704507），采用含BTA單元的聚合物J52-F作為給體材料，三種受體都能實現(xiàn)較高的開路電壓（~1.2 V），能量轉(zhuǎn)換效率分別為9.4%（BTA3），5.6%（BTA4）和11.3%（BTA5）。另外，作者也嘗試了其他常見的經(jīng)典聚合物給體，包括P3HT、PTB7、PTB-Th和PBDB-T。實驗表明，所有體系的光伏性能具有同樣的變化規(guī)律（如圖3所示）。因此作者認(rèn)為，芐基可能會成為A2–A1–D–A1–A2型受體材料開發(fā)的一個首選取代基。圖3 四種經(jīng)典聚合物與BTA3-5的光伏性能比較
綜上所述，該研究工作不僅首次實現(xiàn)A2–A1–D–A1–A2型非富勒烯受體材料分子間堆積方式的調(diào)控，也為高效疊層器件的制備提供了極佳的前電池材料組合。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Science China Chemistry上，國家納米科學(xué)中心王曉晨副研究員，楊靜博士和唐愛玲副研究員為本文的共同一作，通訊作者為周二軍研究員。詳見：Xiaochen Wang, Ailing Tang, Jing Yang, Mengzhen Du, Jianfeng Li, Gongqiang Li, Qiang Guo, Erjun Zhou. Tuning the intermolecular interaction of A2-A1-D-A1-A2 type non-fullerene acceptors by substituent engineering for organic solar cells with ultrahigh VOC of ~1.2 V. Sci. China Chem., 2020, https://doi.org/10.1007/s11426-020-9840-x
