近日，南方科技大學化學系副教授何鳳課題組在能源領域頂級期刊Joule發表最新研究成果，介紹了團隊合成的一種定位三氟甲基取代的高效有機太陽能電池受體材料，該材料可通過H/J聚集的協同作用形成具有更多電子跳躍傳輸結點的三維網絡結構，可極大改善電荷在分子間的傳輸，大幅提高器件性能。
有機非富勒烯小分子受體材料由於設計合成簡單，在可見光甚至是近紅外區域有較強吸收，且能級可調，因而近年來受到了越來越多的關注，其研究也取得了突破性進展。尤其是基於稠環單元的小分子受體材料，通過優化其稠環單元結構，調整烷基側鏈，以及引入滷原子等方法，可以使其單節太陽能電池的能量轉換效率突破16%。其中，滷原子的引入可以有效調控這類小分子的吸收光譜以及能級分佈，是一種非常簡單有效的提升非富勒烯有機太陽能電池器件性能的途徑。大多數小分子受體材料引入氟、氯或者溴原子後吸收光譜紅移，HOMO和LUMO能級降低，電子遷移率提升，結晶性改善，進而得到更好的器件性能。然而，相比引入單個滷原子，三氟甲基官能團對有機太陽能電池受體的影響卻鮮有報道。
課題組成功設計併合成了三氟甲基化的端基IC-CF3–m，並使用重結晶分離策略得到了三氟甲基定位取代的端基IC-CF3–γ, 兩者與BT-2CHO發生Knoevenagel縮合反應，得到了兩個窄帶隙小分子BTIC-CF3–m和BTIC-CF3–γ。研究發現，相較於氟原子取代的BTIC-F-m和氯原子取代的BTIC-Cl-m，BTIC-CF3–γ吸收光譜紅移幅度更大，其吸收邊達到了951nm，對應的光學帶隙為1.3eV，屬於超窄帶隙受體的範疇，這極大地得益於三氟甲基超強的吸電子能力。
圖1. 受體分子結構以及其吸收光譜和能級結構示意圖
圖2. BTIC-CF3–γ受體分子的單晶結構
通過研究BTIC-CF3–γ分子的單晶結構，團隊發現BTIC-CF3–γ分子中S∙∙∙O=C構型互鎖的Y型平面結構，使中心的兩個端基位於骨架的同一側。對於常見的小分子受體體系，分子間主要通過端基與端基之間的π-π相互作用堆積形成J聚集主導的分子排列。而在BTIC-CF3–γ的單晶中，研究人員發現，分子間不僅存在端基與端基之間的J聚集，還有稠環核心之間的堆積形成的H聚集，因此BTIC-CF3–γ分子間的堆積具有J-聚集和H-聚集交互的分子排列堆積特徵，這種排列堆積方式能形成更多的分子間結點，更有利於載流子的高效傳輸。此外，三氟甲基的引入並沒有因為位阻效應破壞分子間的堆積，反而形成了三氟甲基與硫原子之間強的多重相互作用。這些多重分子間相互作用和H/J聚集的協同作用使BTIC-CF3–γ形成了一個具有更多電子跳躍傳輸結點的三維網絡結構，這類似於富勒烯材料中各向同性的傳輸，可極大加快電荷在分子間的傳輸，顯著改善器件性能。
在器件研究中，研究人員將BTIC-CF3–γ與給體PBDB-TF共混，所製備的太陽能電池器件能量轉化效率可達15.59%，而基於氟取代的BTIC-F-m和氯取代的BTIC-Cl-m器件效率分別只有13.61%和13.16%，這得益於BTIC-CF3–γ超窄的帶隙以及顯著紅移的吸收光譜。值得注意的是，15.59%的效率在超窄帶隙材料（帶隙小於等於1.30eV）中是目前文獻報道的最高值。再將BTIC-CF3–γ與Y6，PBDB-TF共混製備三元器件後，其能量轉化效率更是達到了16.50%，進一步顯示出BTIC-CF3–γ在三元體系等器件結構中的巨大應用價值。
在該研究中，團隊成功地將三氟甲基引入到稠環電子受體中，得到了超窄帶隙受體BTIC-CF3–γ，並將其應用於太陽能電子器件中，極大地提高了器件的能量轉換效率，充分體現出光譜紅移和超窄帶隙的優勢，在多元體系、半透明器件和疊層器件應用方面展示出非常有潛力的前景。更重要的是，BTIC-CF3–γ的單晶結構有助於研究人員從分子層面理解這類分子的堆積形式以及分子間相互作用，也為進一步設計新的高性能材料提供了有利的依據和指導。
2017級南科大-哈工大聯培直博生賴寒健是論文第一作者，南科大化學系博士後趙巧巧、陳子毅和前沿與交叉科學研究院研究助理教授陳暉為文章共同第一作者，化學系副教授何鳳為通訊作者，南方科技大學為第一單位和唯一通訊單位。此外，華南理工大學鄭楠博士、南科大化學系副教授張元竹、2016級南科大-北大聯培博士生晁鵬傑、2016級南科大-澳門大學聯培博士生莫代澤、2018級南科大-哈爾濱工業大學聯培博士生祝育林以及南科大2017級本科生朗詠雯也對該文有重要貢獻。
本項研究得到了國家自然科學基金、深圳基礎研究計劃、深圳市諾貝爾獎科學家實驗室、廣東省創新創業團隊項目和南方科技大學分析測試中心的大力支持。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.02.004
