包西昌、李永海等揭示了有机光伏活性层内的分子间相互作用协同机制

fox1992

近年来，有机光电材料和器件工艺不断创新，有力推动了有机太阳能电池事业的蓬勃发展。然而对于活性层内部复杂的分子间相互作用知之甚少。因此，探究分子间相互作用机制的相关研究对调控活性层微结构和激子、电荷行为至关重要。A-D-A型小分子受体（SMA）因其独特的推拉电子结构而具有较强的分子内电荷转移（ICT）效应、易于调节的吸收范围和带隙及优异的平面性，有利于活性层形成良好的纳米互穿网络结构。SMA主要由π共轭骨架、侧链和缺电子端基组成。端基之间的π-π堆积为SMA排列提供了主要电荷传输通道，此外，在活性层端基与给体材料（D）之间存在分子间相互作用也已被证实。因此，利用端基工程调控受体分子间（A/A）及给受体分子间（D/A）相互作用对构建高效的有机光伏具有重要意义。

　　图1. 小分子受体LA15-LA17的合成路线及结构式

　　先进功能材料与器件研究组基于此前在SMA侧链工程及分子间相互作用的研究基础上(Adv. Mater. 2019, 31, 1807832; The Innovation 2021, 2, 100090; Adv. Funct. Mater. 2021, 30, 2007088)，开展了活性层内分子间相互作用的协同研究。该研究将三种端基DCI、CPTCN和F-DCI分别引入甲氧基取代的引达省并二噻吩（IDT）共轭骨架，并引入丁基苯基（C4Ph）侧链调控其结晶性和共混性行为，合成了三种SMAs (LA15、LA16和LA17，图1)，并从D/A和A/A分子间相互作用的双重视角探究了其对光伏性能的影响。表明不同的端基影响受体的结晶度和静电势（ESP）分布，进而调控A/A和D/A分子间的相互作用。虽然LA15表现出中等的结晶度A/A相互作用，但其合适的ESP分布诱导产生适中的D/A分子间相互作用，获得了13.10%的光伏效率。LA17由于异构体的存在表现出弱A/A相互作用，但其大的静电势诱导产生明显增强的D/A相互作用，从而产生了严重的电荷复合，效率低至12.07%。相反，高结晶度的 LA16具有强A/A相互作用及适中的ESP分布带来相对较弱的 D/A 相互作用，二者协同作用获得了最优的 BHJ 形貌、电荷传输和最低复合损失，获得了最佳器件效率。

　　图2. (a) 端基与SMAs的ESP图。(b和c) 端基中原子的平均ESP和ESP区域分布。(d和e) SMAs中原子的平均ESP和ESP区域分布。(f) SMAs薄膜接触角图。

　　需要说明的是，受体分子间A/A相互作用与材料分子堆积和结晶性密切相关，因此该研究工作中采用结晶性来定性评估A/A相互作用强度。而D/A相互作用通过ESP分布、Flory-Huggins相互作用参数（χ）及分子动力学分析（图2）。表明BHJ的微观结构与光伏性能受A/A和D/A相互作用的共同影响，较强的A/A相互作用有利于增强分子堆积，形成优良的电荷传输通道，但是过强的A/A相互作用会导致大聚集体的产生，增强激子复合。同时，过强的D/A相互作用易形成过度共混的形貌特征，增加电荷复合损失，适度的D/A相互作用有助于BHJ形成良好的纳米互穿网络结构和分子取向。因此，均衡的A/A和D/A相互作用可以改善太阳能电池的电荷传输及电荷复合损失，有利于构建高效的有机光伏体系（图3）。

　　图3. 分子间相互作用对BHJ形貌的影响示意图

　　该工作近期以题为“Balancing Intermolecular Interactions between Acceptors and Donor/Acceptor for Efficient Organic Photovoltaics”发表在Advanced Functional Materials上。论文第一作者为韩晨雨，共同一作为王剑晓；通讯作者为包西昌研究员、李永海副研究员等。该项目获得中国科学院青年创新促进会、国家自然科学基金、山东能源研究院等项目的资助。感谢中科院化学所陈亮亮同学对材料纯化的帮助。（文/图 李永海 韩晨雨）
　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107026


       文章来源：青岛能源所
　　

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