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  A-D-A型（尤其是ITIC系列）小分子受體材料由于設計合成簡單，在可見光甚至是近紅外區域有較強吸收，且能級易于調控，因而近年來取得了突破性的進展，單節太陽能電池的能量轉換效率目前已經突破15%，越來越接近產業化應用。而具有近紅外吸收的受體材料在與給體共混以后，由于其具有非常寬的光響應范圍，因而更容易得到高的短路電流。同時由于其吸收主要位于近紅外區域，對可見光的吸收較弱，可用來制備半透明太陽能電池器件。A-D-A型小分子材料很容易通過分子的結構調控實現近紅外吸收，例如增強中間富電子核的給電子能力，或者提升缺電子端基的吸電子能力，都能夠有效的降低分子的帶隙。

  南方科技大學化學系何鳳副教授團隊分別以十元環和十二元環為核，氯代的IC為端基，設計合成了兩個小分子受體材料R10-4Cl和R12-4Cl（圖1）。增加中間核的共軛長度可以有效的增強其給電子能力，同時大的共軛平面也有利于增強分子間的相互作用。而我們前期的研究工作表明，端基引入氯原子可以大幅提升其吸電子能力，進而降低分子的能級和帶隙，同時氯原子的引入也有利于提升分子間的相互作用，進而提高分子堆積的有序度。（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 39992-40000.）。

圖1. R10-4Cl和R12-4Cl的化學結構。

  由于顯著增強的分子內電荷轉移效應，R10-4Cl和R12-4Cl具有非常高的吸光系數以及窄的帶隙（1.44 和1.31 eV），吸收邊帶也分別達到866和917 nm。從R10-4Cl的單晶結構可以看出，由于較大的位阻作用，相鄰分子的核之間沒有明顯的π-π作用，而相鄰的綠色分子端基之間則大部分重疊且完全平行（圖2c），π-π距離僅為3.32 Å，這非常有利于電子的傳輸。而藍色的分子位于兩個綠色分子之間，且藍色分子之間完全沒有相互作用。藍色分子的氧原子與綠色分子的硫原子之間的距離僅為3.15 Å，小于兩個原子的范德華半徑之和，表明有非常強的S···O相互作用。兩種不同排列方式的分子構成了一個Z型相互貫穿的網絡結構，使得電子能夠沿著多個方向進行傳輸，進而有利于提升電子遷移率。

圖2. R10-4Cl的晶體堆積結構

  與聚合物PBDB-T共混以后，由于R10-4Cl能夠形成高度有序的堆積結構，因此其共混薄膜具有更好的相分離形貌，且同時具有高的電子和空穴遷移率。以聚合物PBDB-T為給體，R10-4Cl為受體制備的非富勒烯有機太陽能電池器件的能量轉換效率達到10.7%，其中，開路電壓為0.85 V，短路電流為18.9 mA cm-2，填充因子為66.6%。盡管基于R12-4Cl的共混薄膜具有更寬的光響應范圍，但是由于薄膜的相分離尺度過大，不利于電荷的有效分離，因而基于R12-4Cl的的器件性能僅為9.3%（圖3a和3b）。以上結果表明，增加小分子的共軛長度是一種非常有效的制備高性能非富勒烯小分子受體材料的方法，同時引入氯原子后能夠進一步增強分子間的相互作用，有利于電荷的快速轉移，進而提升器件性能。

圖3. R10-4Cl和R12-4Cl分別與聚合物PBDB-T共混制備器件的（a）J-V曲線和（b）EQE曲線

  以上成果發表在Chemistry of Materials (Chem. Mater. DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b05047)上。該工作的第一作者為南方科技大學化學系曲建飛助理教授，通訊作者為南方科技大學化學系何鳳副教授，共同通訊作者為華南理工大學解增旗教授和美國阿貢國家實驗室陳偉教授。

  該研究得到了國家自然科學基金、中組部“青年千人計劃”、南科大科研啟動經費、深圳市諾貝爾獎科學家實驗室項目以及深圳市科創委研究項目等經費的支持。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.chemmater.8b05047