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Angew：北理工王金亮團隊在構筑基于區域規整異三鹵化端基的高效率有機太陽能電池受體材料方面取得重要進展

來源：北京理工大學      2022-12-13
導讀：近期，北京理工大學王金亮教授團隊在構筑基于區域規整異三鹵化端基的高效率有機太陽能電池受體材料方面取得重要進展，相關研究成果發表在國際化學領域頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，題為“Regioisomer-Free Difluoro-Monochloro Terminal-based Hexa-Halogenated Acceptor with Optimized Crystal Packing for Efficient Binary Organic Solar Cells”。北京理工大學為唯一作者通訊單位，化學與化工學院王金亮教授與安橋石特別研究員為該論文的通訊作者，碩士研究生閆祿和博士研究生張恒為論文的共同第一作者。
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隨著“雙碳”目標的提出，一場對于能源的革命勢在必行。有機太陽能電池（OSCs）作為一種清潔能源技術，由于具有輕、薄、柔和易加工等諸多優點受到了廣泛關注。得益于高效聚合物給體材料和新型非富勒烯受體材料的發展，有機太陽能電池光電轉換效率取得重要突破。為了實現OSCs的商業化目標，開發性能更加優異的小分子受體材料（SMAs）并且深入探究其分子堆積和器件性能之間的關系十分有必要。A-DA’D-A型SMAs是目前OSCs領域研究非常熱門一類高效受體材料，眾多圍繞該類材料的結構優化推動了OSCs效率的進一步提高。核心工程、側鏈工程以及端基工程是調節分子堆積和提高光伏性能比較常用的手段，其中端基工程受限于有限的可修飾位點和較高的合成難度受到的關注相對較少。改變鹵素原子數目或鹵化位置是調節分子能級和給受體共混膜形貌從而獲得顯著的器件性能的最常用策略之一。此外，在端基上引入不同種類的鹵素原子可能會導致SMAs光伏器件性能的巨大差異。然而目前市面上同鹵素端基的種類有限，因此在同一個端基上引入多種鹵素的雜鹵代SMAs顯然有待開發和研究。同時，如何通過新穎的雜鹵化端基和單晶分子堆積模式來調控分子性質和聚集形態特征和理解其與器件性能之間的關系，實現高效率受體材料的創制，也是目前有機太陽能電池領域的關鍵科學問題之一。
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圖1. 分子結構與基本性質（a）材料的化學結構；（b）表面靜電勢（ESP）；（c）溶液的吸收光譜；（d）薄膜的吸收光譜；（e）給/受體材料的能級分布圖。
基于上述提到的關鍵科學問題，王金亮教授團隊在前期末端基調控的小分子受體材料合成與高性能有機太陽能電池性能調控相關研究工作(Energy Environ. Sci., 2022,15, 320; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2108289; ACS Energy Lett., 2018, 3, 2967; J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 4856; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 11802; J. Mater. Chem. C, 2021, 9, 1923等)的基礎上，采用逐步氯化/氟化策略成功合成了兩個具有位置確定的氟化和氯化的新型雜二鹵化和雜三鹵化端基，并分別命名為o-FCl-IC和FClF-IC。隨后分別合成了三種基于Y系列中心核的無區域異構體的SMAs（Y-Cl、Y-FCl和Y-FClF），其具有三個不同的雜鹵化端基。該團隊系統地探討了逐步端基雜鹵化對SMAs的基本光電性質、單晶堆積行為、薄膜形貌和光伏性能的影響。隨著雜鹵化端基中氟取代數目的逐漸增加（從Y-Cl到Y-FCl和Y-FClF），分子吸收光譜逐漸紅移，并且HOMO能級和LUMO能級降低，同時逐漸提高了純膜中的電子遷移率。
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圖2. Y-FCl (a)和Y-FClF(b)單晶的三維堆積模式與π-π相互作用信息
該團隊首次獲得了基于區域規整的雜二鹵化/雜三鹵化端基受體Y-FCl和Y-FClF的單晶結構。晶體學分析和密度泛函理論（DFT）計算表明，與Y-FCl相比，隨著氟取代個數的增加，Y-FClF相鄰分子之間不僅保持了原有的晶系，而且表現出更好的分子平面性，更短的π?π堆疊距離和更顯著的π?π電子耦合和更有序的三維分子堆積網絡，從而提升其薄膜態的多個方向上的電荷傳輸能力。此外，PM6:Y-FClF共混膜在分子堆積上表現出最有序和最顯著的face-on分子堆積取向，在合適的相分離下表現出最強的結晶傾向，并且在三種共混膜中具有最高和最平衡的電荷遷移率。因此，基于PM6:Y-FClF的有機太陽能電池實現了17.65%的光電轉換效率，明顯高于基于PM6:Y-FCl（16.00%）和PM6:Y-Cl（14.47%）的電池效率。更重要的是，該效率是基于雜鹵化小分子受體的二元有機太陽能電池中的最高效率之一。
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圖3. (a)太陽能電池的 J-V 曲線；(b)EQE外量子效率圖；(c)載流子遷移率柱狀圖。
綜上，這項工作表明，精確控制氟/氯原子數和區域規整雜三鹵化策略的結合是改善SMAs分子間晶體堆積、優化共混膜形態和提高器件光伏性能的協同方法之一，其在有機太陽能電池中有著巨大應用潛力。其對后續高性能有機太陽能電池受體材料的設計提供了一種新思路。
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圖4 . 三種異鹵化端基所修飾的受體分子材料的分子結構、晶體堆積和電池性能之間構效關系圖。
上述研究工作得到了國家自然科學基金項目、國家海外高層次人才青年項目、北京理工大學特立青年學者計劃等項目以及北京市光電轉換材料重點實驗室和北京理工大學分析測試中心的支持。北京工商大學李熊教授團隊、廈門大學曹曉宇教授團隊、中科院化學所朱曉張研究員團隊給予了大力支持。
文章全文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202209454
作者簡介：
王金亮，化學與化工學院教授、博士生導師。2008年博士畢業于北京大學化學與分子工程學院，2013年入選國家海外高層次人才支持計劃。主要從事有機與高分子光電能量轉換材料化學研究，在單分散多氟代光伏給體材料和高效率含硒吩受體材料的高效合成以及器件性能調控方面開展了有特色的研究工作。主持承擔了國家自然科學基金項目、國家海外高層次人才青年項目、北京市自然科學基金面上項目、北京理工大學特立青年學者計劃等課題。至今在J. Am. Chem. Soc.等國際高水平學術期刊上發表SCI論文80余篇，總被引用6000余次。2016年被評為北理工優秀碩士學位論文指導教師，2021年被評為北京市優秀本科畢業論文指導教師。目前擔任《北京理工大學學報英文版》第八屆編委會委員。

安橋石，北京理工大學化學與化工學院特別研究員、博士生導師。2020年4月加入北京理工大學化學與化工學院，主要從事有機光電子材料與器件方面的工作。迄今以第一/通訊作者身份在Energy Environ. Sci.; Angew. Chem., Int. Ed.; ACS Energy Lett.; Adv. Funct. Mater.; Nano Energy等國際高水平期刊上發表SCI論文30余篇，其中ESI高被引論文9篇，論文共計被引6000余次，主持國家自然科學基金等項目。

參考資料：https://www.bit.edu.cn/xww/xzw/xsjl1/bdb3b13444bf440eaf5836e1d89b1b6d.htm





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