有机太阳能电池由于其轻薄、透明、柔性、易加工等特点,近年来得到科研群体的广泛关注。目前基于聚合物给体和小分子受体的太阳能电池已经突破19%的能量转化效率, 接近实现商业化的标准。全聚合物太阳能电池(all-PSC)最近成为领域内竞相研究的热点,由于给、受体聚合物链间的稳定二级结构,可以赋予光伏器件优越的形貌稳定性、机械稳定、光热稳定性,从而使得器件寿命延长,满足实际应用。小分子受体的端基卤化策略是一项非常成功的合成修饰方法,然而在聚合物受体中这种调控策略的有效与否还未得到系统、清晰的探究与认识。
图1. 本文涉及的分子结构以及合成路线
紫外可见光谱中(图2a-c),随着氯原子取代氟原子,小分子受体的最大吸收峰位置发生红移,这来源于增强的分子内电荷转移效应。有趣的是,在聚合物受体中发生完全不一样的变化趋势:随着氯原子增加,光谱却发生了蓝移,以至于PY2Cl-T表现出最窄的吸收范围;与此同时,噻吩链接基元与端基IC在400-550 nm的共轭吸收峰强度也随着氯原子的增多而降低。
图2. 紫外可见光谱、单晶解析及分子动力学模拟结果
图3. 密度泛函计算模拟结果
图5. 结晶性与相分离表征结果(GIWAXS & GISAXS)
图6. 能量损耗以及激子扩散长度实验表征
图7. 瞬态吸收实验结果
小结:本工作表明不同类型受体拥有不同的堆积形式,所以需要不同的化学修饰来提升性能。在小分子受体中,引入高周期氯原子可以增加分子间堆积模式从而提升光伏性能;反之,在聚合物受体中,应当引入短周期可以形成非共价相互作用的氟原子,减少聚合物链内构象的混乱与扭曲,增强分子间堆积减弱,继而提升光伏转换效率。
本文的第一作者是香港科技大学的于涵博士,共同一作为香港城市大学博士生王焱,香港科技大学邹欣卉博士。特别感谢南开大学韩含博士对单晶解析方面的帮助,以及北京大学姚泽凡博士对于分子动力学模拟方面的帮助。
原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202300712
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