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  近年來，n-型有機(jī)半導(dǎo)體小分子受體材料因其具有化學(xué)結(jié)構(gòu)易修飾、分子能級和吸收光譜易調(diào)控、成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)而受到研究者們的廣泛關(guān)注。其中，基于稠環(huán)電子受體（FREAs）的聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率不斷被刷新，目前已經(jīng)超過14%。這類受體材料通常以富電子的芳香稠環(huán)為核，保證分子的平面性，有利于電荷傳輸。但相比于傳統(tǒng)的富勒烯受體材料，稠環(huán)小分子具有更快的結(jié)晶速度，在成膜過程中易于形成大的聚集，破壞活性層的形貌。為此，人們主要通過側(cè)鏈工程解決這一難題。通過sp3的碳引入位阻較大的烷基側(cè)鏈，增強(qiáng)溶解性的同時(shí)限制芳香稠環(huán)的自聚集，從而避免稠環(huán)小分子與聚合物共混時(shí)形成大的相分離。然而，側(cè)鏈位阻增大會(huì)破壞分子的緊密堆積，不利于電荷傳輸。因此，為了獲得高性能的聚合物太陽能電池，設(shè)計(jì)具有高遷移率和合適的聚集行為的稠環(huán)電子受體至關(guān)重要。

  最近，北京師范大學(xué)薄志山教授課題組通過修飾受體小分子的端基，有效調(diào)控活性層相分離尺寸，同時(shí)提高了受體小分子的電子遷移率。他們通過Suzuki偶聯(lián)在IDT-IC的端基上以單鍵引入芳香基團(tuán)（苯環(huán)或噻吩環(huán)），得到了兩個(gè)受體小分子材料IDT-IC-B和IDT-IC-T（圖1）。DFT計(jì)算和XRD測試表明芳香基團(tuán)的引入可以改變端基的平面性從而影響受體小分子的結(jié)晶行為。TEM表征發(fā)現(xiàn)基于PBDB-T:IDT-IC-B/IDT-IC-T制備的器件，其活性層形貌呈現(xiàn)出均勻分布的纖維狀聚集和合適的納米尺寸相分離；而PBDB-T:IDT-IC薄膜呈現(xiàn)出明顯較強(qiáng)的聚集。同時(shí)DFT計(jì)算和SCLC測試表明，芳香基團(tuán)的引入擴(kuò)大了端基的共軛骨架，增強(qiáng)了端基間的π–π作用，從而形成分子間電子傳輸?shù)挠行ǖ溃岣呤荏w小分子的電子遷移率。

圖1. (a) IDT-IC, IDT-IC-T和IDT-IC-B的分子結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)的DFT計(jì)算優(yōu)化的二聚體的堆積方式；(b) PBDB-T:IDT-IC, (c) PBDB-T:IDT-IC-T 和 (d)PBDB-T:IDT-IC-B的TEM圖。

  以PBDB-T為給體材料，基于IDT-IC-T和IDT-IC-B的器件的外量子效率（EQE）都高于IDT-IC（圖2），最高可達(dá)到75%。基于IDT-IC-T和IDT-IC-B的器件效率分別達(dá)到了9.43%（Voc =0.86 V, Jsc = 15.91 mA cm?2, FF = 0.69）和8.72% （Voc = 0.87V, Jsc = 14.31 mA cm?2, FF = 0.70），明顯高于基于IDT-IC的5.82%（Voc=0.88 V, Jsc = 11.58 mA cm?2, FF = 0.57）。這些結(jié)果表明擴(kuò)大端基的共軛骨架能夠簡單有效地調(diào)節(jié)受體分子的聚集行為，同時(shí)增強(qiáng)了端基間的π–π作用，促進(jìn)分子間的電荷傳輸，提高光伏性能。

圖2. (a)電流-電壓曲線圖；(b)外量子效率曲線圖。

  近日，該成果以“Enhance the performance of polymer solar cells via extension of the flankingend groups of fused ring acceptors”為題，在線發(fā)表于Science China Chemistry (DOI:10.1007/s11426-018-9252-9)。

  論文鏈接：http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-018-9252-9?slug=full%20text