有机太阳电池(organic solar cells, OSCs)由于具有机械柔韧性好、半透明、适用于可穿戴设备等优势而备受关注。但是,目前实验室制备的高性能OSCs通常使用对环境有害的卤代溶剂(氯仿)加工处理,不利于器件商业化生产。利用非卤溶剂替代氯仿作为器件制备的加工溶剂虽然可以改善环境污染问题,但非卤溶剂普遍具有相对较高的沸点和对共轭分子低的溶解性。因而使用非卤溶剂加工时,小分子受体(small molecule acceptors, SMAs)在成膜过程中更易于发生过度自聚集,导致活性层产生严重的相分离和造成器件能量损失的增加,最终致使OSCs开路电压和能量转换效率降低。 在前期研究的基础上,中国科学院化学研究所李永舫院士/李骁骏研究员团队在L8-Ph内侧链的苯基端基上分别引入不同的取代基(氟原子/甲基),设计并合成了两种SMAs:L8-PhF和L8-PhMe。通过对分子间相互作用的系统研究,该团队有效降低了非卤溶剂加工的OSCs的能量损失,实现了用邻二甲苯加工的低能量损失且高性能OSCs的制备。
单晶结构解析和理论计算的结果表明,分子结构的修饰会对分子间相互作用以及分子堆积产生影响。引入了氟原子的L8-PhF分子具有更强、更多元的分子间相互作用,但多重的分子间相互作用也影响了分子的有序堆积。而具有甲基取代基的L8-PhMe,其表现出更有效的非共价相互作用,致使分子堆积更紧密和有序。 对活性层的形貌研究表明,当SMAs与聚合物供体PM6共混时,SMAs分子间相互作用的差异会对共混膜的成膜过程和相分离产生影响。由于分子堆积的有序性更好,且具有更短的成膜时间中,PM6:L8-PhMe共混膜表现出更有序的π-π堆积和更均匀的相分离。最终,基于L8-PhMe的OSCs表现出更低的非辐射能量损失和更高的开路电压,用邻二甲苯处理的器件实现了19.27%的能量转换效率。 综上所述,通过内侧链的修饰来精细调控SMAs的分子间相互作用,以分散SMAs的自聚集并改善分子堆积有序性,是一种非常有效地降低非卤溶剂加工的OSCs能量损失的策略。同时该研究也着重强调了在SMAs的修饰中引入有序的(而非更强的)非共价相互作用对OSCs的分子堆积、形貌和能量转换效率的重要性。 论文信息 Inner Side Chain Modification of Small Molecule Acceptors Enables Lower Energy Loss and High Efficiency of Organic Solar Cells Processed with Non-halogenated Solvents Xiangxi Wu, Yufei Gong, Xiaojun Li, Shucheng Qin, Haozhe He, Zekun Chen, Tongling Liang, Caixuan Wang, Dan Deng, Zhaozhao Bi, Wei Ma, Lei Meng, Yongfang Li Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202416016