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    基于芳環(huán)取代酰亞胺端基的非富勒烯受體材料的合成與光伏性能

    2023-10-10 03:31:44施世領(lǐng)蔣寒曦涂雪楊鮮開(kāi)虎韓德霞李艷如姚翔葉龍費(fèi)竹平
    關(guān)鍵詞:富勒烯酰亞胺載流子

    施世領(lǐng),蔣寒曦,涂雪楊,鮮開(kāi)虎,韓德霞,李艷如, 姚翔,葉龍,費(fèi)竹平

    基于芳環(huán)取代酰亞胺端基的非富勒烯受體材料的合成與光伏性能

    施世領(lǐng)1,蔣寒曦1,涂雪楊1,鮮開(kāi)虎2,韓德霞2,李艷如1, 姚翔1,3,葉龍2,4,費(fèi)竹平1,3

    (1. 天津大學(xué)分子+研究院, 天津市分子光電科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072; 2. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300350; 3. 物質(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實(shí)驗(yàn)室, 天津 300192; 4. 天津市分子光電科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心, 天津 300350)

    端基結(jié)構(gòu)對(duì)于有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)中非富勒烯受體(NFAs)的光電性能具有重要影響. 本文設(shè)計(jì)合成了3種新型芳環(huán)取代的酰亞胺結(jié)構(gòu)的端基(IIC-Ph, IIC-PhBr和IIC-Ph2F), 并將其用于制備受體-給體(受體)給體-受體(A-DA′D-A)型NFAs(BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F). 紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜對(duì)比和理論模擬結(jié)果表明, 相比于IIC-Ph端基, IIC-PhBr和IIC-Ph2F端基具有更強(qiáng)的吸電子能力, 增強(qiáng)了NFAs的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)(ICT), 促使了吸收紅移. 端基苯環(huán)上強(qiáng)吸電子的溴原子和氟原子的引入, 降低了A-DA′D-A型受體的前線軌道能級(jí). 基于BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的二元電池分別獲得了13.54%, 11.84%和11.58%的能量轉(zhuǎn)換效率(PCEs). 相比于BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F, 基于BTP-IIC-Ph的電池表現(xiàn)出更好的光伏性能, 這主要?dú)w因于其較高的最低未占有軌道能級(jí)(LUMO)所導(dǎo)致的較高開(kāi)路電壓(OC), 以及更好的激子解離能力和更弱的陷阱輔助載流子復(fù)合.

    有機(jī)太陽(yáng)能電池;非富勒烯受體;端基;酰亞胺

    太陽(yáng)能利用是解決能源危機(jī)最有效的策略之一. 有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)具有重量輕、透明度 可調(diào)、柔性及溶液加工等優(yōu)點(diǎn),是解決能源危機(jī)的重要途徑. 近年來(lái),具有分子內(nèi)受體-給體-受體 (A-D-A)結(jié)構(gòu)的非富勒烯受體(NFAs)的出現(xiàn),使電池的能量轉(zhuǎn)換效率(PCEs)提高到大約19%[1~6]. 通過(guò)中心核單元、末端基團(tuán)和柔性側(cè)鏈的模塊化設(shè)計(jì)策略,可以設(shè)計(jì)豐富多樣的NFAs. NFAs的3個(gè)模塊化單元可以有效地調(diào)控受體分子的堆積、光吸收、載流子遷移率和電子結(jié)構(gòu)[7~21]. 基于這一設(shè)計(jì)策略,大量的NFAs(如明星分子ITIC[22]、 Y6[23]及其衍生物)被廣泛應(yīng)用于制備高性能的OSCs. 3-(二氰亞甲基)茚-1-酮(IC)由于具有良好的吸電子能力、易化學(xué)改性和優(yōu)異的光伏性能成為NFAs中應(yīng)用最廣泛的末端基團(tuán)之一. 由于亞胺/酰胺結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的吸電子能力、剛性的共軛結(jié)構(gòu)以及優(yōu)越的熱和光化學(xué)穩(wěn)定性[24~29],本課題組[30]在之前的工作中提出了將酰亞胺基團(tuán)與IC相結(jié)合的策略,設(shè)計(jì)合成了新的端基基團(tuán)與NFAs,并通過(guò)改變酰亞胺端基N位烷基鏈長(zhǎng)度,調(diào)控了NFAs的光伏性能,取得了優(yōu)異的PCEs. 酰亞胺N位的芳基化可以有效調(diào)節(jié)分子的組裝過(guò)程,通常被用于調(diào)控含酰亞胺分子的聚集態(tài)以獲得高性能的載流子傳輸能力[31,32],而且,酰亞胺N位的芳基也可以引入新的官能化基團(tuán)[33~35]. 研究發(fā)現(xiàn),端基的鹵化策略在設(shè)計(jì)NFAs時(shí)具有合成工藝簡(jiǎn)單、能級(jí)調(diào)節(jié)精確和結(jié)晶性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于調(diào)控受體的光伏性能[20,21]. 為了探索酰亞胺N位芳基取代對(duì)NFAs性能的影響,本文首先設(shè)計(jì)了一種苯環(huán)取代的酰亞胺結(jié)構(gòu)的端基,并制備了受體-給體(受體)給體-受體(A-DA′D-A)型NFAs(BTP-IIC-Ph);其次,進(jìn)一步對(duì)酰亞胺N位苯環(huán)進(jìn)行鹵化修飾,制備了兩種新的端基及兩種NFAs(BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F);最后,研究了3種新型NFAs的理化性質(zhì)和光伏性能,并總結(jié)了分子結(jié)構(gòu)與器件性能之間的關(guān)系.

    1 實(shí)驗(yàn)部分

    1.1 試劑與儀器

    均苯四甲酸二酐,純度98%,瑞士Adamas試劑公司;苯胺,純度99%,阿拉?。ㄖ袊?guó))試劑公司;對(duì)溴苯胺,純度99%, Innochem(中國(guó))試劑公司; 3,5-二氟苯胺,純度99%,希恩思(中國(guó))試劑公司;二氯甲烷、石油醚、乙酸乙酯和乙醇,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;,-二甲基甲酰胺,純度99.9%,安耐吉(中國(guó))試劑公司; PM6與PFN-Br, Organtec Ltd.(中國(guó))試劑公司.

    AV 400 MHz型核磁共振波譜儀(1H NMR,13C NMR),日本JEOL公司; Ultraflextreme MALDI-TOF/TOF AB 5800 型質(zhì)譜儀(MS),美國(guó)Bruker公司; UV-3700型紫外-可見(jiàn)-近紅外(UV-Vis-NIR)光譜儀,日本島津公司; CHI 630A型電化學(xué)分析(CV)儀,中國(guó)上海辰華儀器有限公司;選擇玻璃碳盤(pán)、鉑絲和飽和Ag/AgCl電極分別作為工作電極、對(duì)電極和參比電極,以六氟化四丁基銨磷(Bu4NPF6, 0.1 mol/L)為電解質(zhì),以氯仿為溶劑,掃描速率為100 mV/s; Multimode 8型掃描探針顯微鏡(AFM),美國(guó)Bruker公司; Dektak XT型臺(tái)階儀,美國(guó)Bruker公司.

    1.2 非富勒烯受體的合成與結(jié)構(gòu)表征

    Scheme 1給出了的IIC-Ph, IIC-PhBr和IIC-Ph2F的合成過(guò)程、 PM6的結(jié)構(gòu)以及BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的合成過(guò)程,詳細(xì)合成步驟見(jiàn)本文支持信息圖S1. 化合物的結(jié)構(gòu)表征見(jiàn)本文支持信息圖S3~圖S26.

    Scheme 1Synthetic routes of IIC?Ph, IIC?PhBr and IIC?Ph2F, BTP?IIC?Ph, BTP?IIC?PhBr and BTP?IIC?Ph2F and structure of PM6

    1.3 器件的制備與表征

    通過(guò)以下步驟制備了ITO/PEDOT∶PSS/活性層/PFNBr/Ag器件結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池. 首先,將氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃在異丙醇、丙酮、洗滌劑和去離子水中依次超聲清洗15 min. 然后,使用O2等離子體處理ITO導(dǎo)電玻璃8 min. 將PEDOT∶PSS(Heraeus Clevios PVP AI 4083,使用0.45 μm濾頭過(guò)濾)以4000 r/min轉(zhuǎn)速旋涂到預(yù)處理的ITO襯底上,獲得厚度為40 nm的PEDOT∶PSS薄膜,然后將薄膜于150 ℃退火15 min. 將PM6和BTP-IIC-Ph/BTP-IIC-PhBr/BTP-IIC-Ph2F(質(zhì)量比為1∶1.2)的氯苯溶液(聚合物濃度為8.5 mg/mL)在50 ℃下攪拌過(guò)夜,以確保充分溶解. 在旋涂成膜前,向PM6和BTP-IIC-Ph/BTP-IIC-PhBr/BTP-IIC-Ph2F的共混溶液中分別添加氯萘0.6%, 0.9%, 0.9%(體積比),薄膜的退火溫度分別為120, 120和90 ℃,退火時(shí)間為10 min. 之后,將PFN-Br(0.5 mg/mL)的甲醇溶液旋涂于活性層之上作為電子傳輸層. 然后在2×10?4Pa的真空環(huán)境中,在PFN-Br層上蒸鍍60 nm左右的Ag. 光伏 器件面積為0.057 cm2. 太陽(yáng)能電池的電流密度-電壓(-)曲線在手套箱中在AM 1.5 G AAA級(jí)太陽(yáng)能模擬器(Enli Technology Ltd., SS-F5-3A)的照明下使用Keithley 2400源表采集,太陽(yáng)光強(qiáng)度為 100 mW/cm2,由NREL校正的標(biāo)準(zhǔn)硅電池校準(zhǔn). 外量子效率(EQE)數(shù)據(jù)使用太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)(QE-R, Enli Tech-nology Co. Ltd.)測(cè)得,設(shè)備由標(biāo)準(zhǔn)硅光伏電池校準(zhǔn).

    通過(guò)以下步驟制備了ITO/PEDOT∶PSS/活性層/MoO3/Ag和ITO/Al/活性層/Al器件結(jié)構(gòu)的單空穴/電子器件. 首先,將PM6和BTP-IIC-Ph/BTP-IIC-PhBr/BTP-IIC-Ph2F的氯苯溶液旋涂在PEDOT∶PSS或Al薄膜的頂部,形成活性層. 然后在壓力為2×10?4Pa的條件下,掩膜熱蒸發(fā)MoO3(9 nm)/Ag(或Al). 通過(guò)空間電荷限制電流(SCLC)方法測(cè)量了單空穴/電子器件在黑暗條件下的曲線,并通過(guò)使用Mott-Gurney方程式:9or2/83[其中,為空間電荷限制電流,o和r分別為真空介電常數(shù)(o= 8.85×10?12F/m)和活性層介電常數(shù)(r≈3 F/m),為電荷遷移率,為活性層的厚度]計(jì)算了電子和空穴遷移率.

    2 結(jié)果與討論

    2.1 非富勒烯受體的理化性質(zhì)和理論計(jì)算

    圖1(A)和(B)分別為BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F在濃度為1×10?5mol/L的氯仿溶液和薄膜中的UV-Vis-NIR吸收光譜,相關(guān)數(shù)據(jù)列于表1中. 在溶液中, BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和 BTP-IIC-Ph2F在650~850 nm范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的吸收,摩爾吸光系數(shù)(MECs)分別為2.00×105, 1.90×105和1.92×105L·mol?1·cm?1. 相比于BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的最大吸收峰(max)發(fā)生了一定程度的紅移,這歸因于IIC-PhBr和IIC-Ph2F端基具有更強(qiáng)的吸電子能力而導(dǎo)致的增強(qiáng)的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)(ICT). 從溶液到薄膜態(tài), BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F吸收峰均發(fā)生了明顯的變寬,同時(shí)最大吸收峰值發(fā)生了紅移,表明在薄膜狀態(tài)下受體分子間發(fā)生了明顯的聚集行為.

    Fig.1 UV?Vis?NIR absorption spectra of BTP?IIC?Ph, BTP?IIC?PhBr and BTP?IIC?Ph2F in CHCl3 solutions(A) and in thin films(B)

    Table 1 Photophysical and electrochemical properties of BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr and BTP-IIC-Ph2F

    Fig.2 Cyclic voltammograms curves of BTP?IIC?Ph, BTP?IIC?PhBr, and BTP?IIC?Ph2F in 1×10?5 mol/L solution of CHCl3(A) and energy level diagrams of PM6, BTP?IIC?Ph, BTP?IIC?PhBr and BTP?IIC?Ph2F(B)

    對(duì)BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F進(jìn)行了密度泛函理論(DFT)計(jì)算. 圖3(A)和(B)分別給出了BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F分子的最優(yōu)化構(gòu)象、 HOMO/LUMO分布圖以及二面角側(cè)視圖. BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的二面角分別為12.04°, 12.03°和12.09°,這與之前報(bào)道的烷基取代酰亞胺端基受體分子類(lèi)似[30],這表明酰亞胺芳基單元對(duì)受體稠環(huán)骨架的幾何構(gòu) 型影響較小. DFT計(jì)算得到BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的HOMO/LUMO能級(jí)分別為 ?5.71/?3.74, ?5.78/?3.82和?5.80/?3.84 eV,由于吸電子溴原子和氟原子的引入, BTP-IIC-PhBr與BTP-IIC-Ph2F表現(xiàn)出比BTP-IIC-Ph更低的LUMO和HOMO能級(jí),這與循環(huán)伏安法測(cè)試結(jié)果的規(guī)律一致. 為了分析不同端基的NFAs的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程,對(duì)BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的偶極矩進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果如圖3(C)所示. BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的偶極矩分別為10.54 D, 11.95 D和12.00 D. BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F分子的偶極矩大于BTP-IIC-Ph分子,該結(jié)果表明,端基上強(qiáng)吸電子溴和氟原子的引入影響了NFAs骨架上的電子分布,增強(qiáng)了ICT,導(dǎo)致了NFAs吸收光譜的紅移,與之前吸收光譜的研究結(jié)果相一致.

    Fig.3 Optimal conformation and HOMO/LUMO distribution(A), side view of dihedral angle of the optimized molecular geometry(B), and dipole moments of the half segments of BTP?IIC?Ph, BTP?IIC?PhBr and BTP?IIC?Ph2F(C)

    2.2 器件的光伏性能

    進(jìn)一步采用ITO/PEDOT∶PSS/活性層/PFNBr/Ag器件結(jié)構(gòu)對(duì)BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F受體的光伏性能進(jìn)行了研究. 其中,活性層以聚合物PM6為供體, BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr 或BTP-IIC-Ph2F為受體. 基于BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F受體的電池的-曲線如 圖4(A)所示,光伏性能數(shù)據(jù)列于表2.

    Fig.4 J?V characteristics of OSCs based on the BTP?IIC?Ph, BTP?IIC?PhBr and BTP?IIC?Ph2F acceptors under solar illumination(A), EQE spectra of the optimized OSCs(B)

    Table 2 Photovoltaic parameters of the OSCs based on BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr and BTP-IIC-Ph2F acceptorsa

    .Photovoltaic data are from the champion devices, and the numbers in the parentheses are reported as averages taken over 10 separate devices, where ± represent the standard deviation of the mean;.current density calculated from EQE data.

    BTP-IIC-Ph的電池的平均開(kāi)路電壓(OC)為(0.79±0.04) V,短路電流密度(SC)為(23.63±1.47) mA/cm2,填充因子(FF)為(69.87±2.50)%, PCE為(13.16±0.38)%. BTP-IIC-PhBr的電池的平均OC為(0.75±0.02) V,SC為(23.53±1.42) mA/cm2, FF為(65.87±2.53)%, PCE為(11.59±0.38)%. BTP-IIC-Ph2F的電池的平均OC為(0.74±0.03) V,SC為(21.68±2.18) mA/cm2, FF為(70.49±5.95)%, PCE為(11.13±0.45)%. 相比于BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的電池, BTP-IIC-Ph的電池具有更高的OC, FF和SC. 因此, BTP-IIC-Ph的電池表現(xiàn)出更高的PCE. BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的電池的OC降低主要是由于苯環(huán)上引入強(qiáng)吸電子的溴原子和氟原子降低了LUMO的能級(jí). 圖4(B)是BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的電池的EQE曲線. 可見(jiàn),相較于BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的電池, BTP-IIC-Ph的電池在300~1000 nm范圍內(nèi)具有更高的EQE值,這一結(jié)果說(shuō)明BTP-IIC-Ph的器件具有更加高效的光電轉(zhuǎn)換能力. BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的電池的SC也與通過(guò)EQE曲線計(jì)算的短路電流(cal)相一致,誤差在5%以?xún)?nèi).

    2.3 器件的載流子收集能力和遷移率

    為了理解BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F電池的光伏性能的差異,計(jì)算了短路條件下的光電流密度與飽和光電流密度的比值(phs/sat)和最大功率輸出條件下的光電流密度與飽和光電流密度的比值(phm/sat),分別評(píng)估了激子解離能力(diss)和載流子收集能力(coll). 器件的有效電壓(eff)與凈光電流密度(ph)的曲線如圖5(A)所示.

    Fig.5 Jph?Veff curves of the OSCs based on BTP?IIC?Ph, BTP?IIC?PhBr, and BTP?IIC?Ph2F acceptors(A), VOCvs. light intensity of the OSCs based on BTP?IIC?Ph, BTP?IIC?PhBr and BTP?IIC?Ph2F acceptors(B)

    Table 3 Photovoltaic parameters of exciton dissociation, charge-carriers collection and recombination for the NFAs-based OSCs, and hole and electron mobilities of PM6∶BTP-IIC-Ph/BTP-IIC-PhBr/BTP-IIC-Ph2F thin films

    . Saturated photocurrent density;. photocurrent density under the short-circuit condition;. photocurrent density under the maximal power output condition;. exciton dissociation probabilities calculated fromphs/sat;. charge collection probabilities calculated fromphm/sat;. mobilities tested from SCLC.

    從表3中可以看出, BTP-IIC-Ph的電池的diss達(dá)到了96.05%,coll達(dá)到了83.21%,均優(yōu)于BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的電池的diss和coll(BTP-IIC-PhBr的diss和coll分別為95.15%和77.49%, BTP-IIC-Ph2F的diss和coll分別為92.72%和76.64%). 這一結(jié)果表明,相比于BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的電池, BTP-IIC-Ph的電池具有更高效的激子解離和載流子收集能力. 端基的苯環(huán)上引入鹵素原子Br或F不利于器件中激子解離和載流子收集. 此外,測(cè)試了OC對(duì)光強(qiáng)的依賴(lài)性關(guān)系,進(jìn)一步對(duì)BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F為受體的電池進(jìn)行電荷載流子復(fù)合動(dòng)力學(xué)研究.OC與光照強(qiáng)度的關(guān)系可以表示為

    OC=×ln

    式中:是斜率,是光強(qiáng)(mW/cm2).可由B/[其中,B為玻爾茲曼常數(shù),為溫度(K),為基本電荷]計(jì)算. 如圖5(B)所示, BTP-IIC-Ph的電池的值(OC與光照強(qiáng)度擬合曲線的斜率)為1.20,低于BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的電池的值(分別1.36和1.55). 這意味著相較于基于BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的電池, BTP-IIC-Ph的電池中存在較低的陷阱輔助電荷復(fù)合,有利于其實(shí)現(xiàn)更高的FF和PCE.

    Fig.6 AFM height(A—C) and phase(D—F) images of PM6∶BTP?IIC?Ph(A, D), PM6∶BTP?IIC?PhBr(B, E) and PM6∶BTP?IIC?Ph2F thin films(C, F)

    為了研究BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F的載流子傳輸能力,制備了ITO/PEDOT∶PSS/活性層/MoO3/Ag結(jié)構(gòu)的單空穴器件和Al/活性層/Al結(jié)構(gòu)的單電子器件(見(jiàn)本文支持信息圖S2). 基于SCLC方法估算了PM6∶BTP-IIC-Ph, PM6∶BTP-IIC-PhBr, PM6∶BTP-IIC-Ph2F共混膜的空穴遷移率(h)和電子遷移率(e),結(jié)果匯總于表3. 結(jié)果表明, PM6∶BTP-IIC-Ph薄膜到PM6∶BTP-IIC-PhBr薄膜,再到PM6∶BTP-IIC-Ph2F薄膜,e值依次降低,分別為2.85×10?3, 1.70×10?3和7.80×10?4cm2·V-1·s-1. 同時(shí),從器件的h/e比值可以發(fā)現(xiàn), BTP-IIC-Ph的電池具有更加平衡的h和e,這有助于降低器件中的光生載流子的復(fù)合,增加器件的SC.

    2.4 薄膜形貌的表征

    采用AFM研究了活性層的表面形貌. 圖6的結(jié)果表明, PM6∶BTP-IIC-Ph, PM6∶BTP-IIC-PhBr和PM6∶BTP-IIC-Ph2F共混膜都表現(xiàn)出納米級(jí)相分離的特征. 其共混膜的表面均方粗糙度(RMS)分別為2.52, 3.01, 3.82 nm. PM6∶BTP-IIC-PhBr和PM6∶BTP-IIC-Ph2F共混膜表面比較粗糙,不利于電池中的界面接觸和載流子收集,而PM6∶BTP-IIC-Ph共混膜具有較均一的相分離形貌,有助于獲得較好的光伏性能.

    3 結(jié)論

    設(shè)計(jì)合成了3種帶有芳環(huán)取代的酰亞胺結(jié)構(gòu)的端基(IIC-Ph, IIC-PhBr和IIC-Ph2F)及3種新型 A-DA′D-A型NFAs(BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr和BTP-IIC-Ph2F). 研究了不同芳環(huán)取代的酰亞胺端基 對(duì)受體的光物理性質(zhì)、電化學(xué)性質(zhì)和光伏性能的影響. 相比于IIC-Ph端基, IIC-PhBr和IIC-Ph2F端基 具有更強(qiáng)吸電子能力,可以影響NFAs骨架上的電子分布及前線軌道能級(jí),增強(qiáng)ICT效應(yīng),促使受體 最大吸收峰紅移. 太陽(yáng)能電池測(cè)試結(jié)果表明,基于BTP-IIC-Ph的二元電池具有最高的PCE,主要原因是BTP-IIC-Ph具有較高的LUMO能級(jí),以及共混膜具有更光滑的膜表面形貌和更弱的陷阱輔助載流子復(fù)合.

    支持信息見(jiàn)http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20230182.

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    Synthesis and Photovoltaic Properties of Non-fullerene Acceptors Based on Aryl-substituted Imide End Groups

    SHIShiling1, JIANGHanxi1, TUXueyang1, XIANKaihu2, HANDexia2, LIYanru1, YAOXiang1,3*, YELong2,4, FEIZhuping1,3*

    (,,300072,;,,300350,;,300192,;,300350,)

    The structure of end-group is of great significance for the photovoltaic properties of non-fullerene receptors(NFAs) in organic solar cells. We designed and synthesized three novel end groups with aryl-substituted imide structures(IIC-Ph, IIC-PhBr and IIC-Ph2F) and further prepared three NFAs with acceptor-donor(acceptor) donor-acceptor(A-DA'D-A) structure(BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr and BTP-IIC-Ph2F). The comparison of UV-Vis-NIR absorption spectra and theoretical simulation showed that IIC-PhBr and IIC-Ph2F had stronger electron-withdrawing ability than IIC-Ph, which enhanced the intramolecular charge transfer effect of NFAs and red-shift their absorption spectra. The introduction of electron-withdrawing Br and F atoms on the terminal benzene rings of acceptors lowered the frontier molecular orbital energy levels of BTP-IIC-PhBr and BTP-IIC-Ph2F. The power conversion efficiency(PCEs) of solar cell devices based on BTP-IIC-Ph, BTP-IIC-PhBr and BTP-IIC-Ph2F are 13.54%, 11.84%, and 11.58%, respectively. Comparison to BTP-IIC-PhBr and BTP-IIC-Ph2F, BTP-IIC-Ph based devices show higher PCE, which can be attributed to the higher open-circuit voltage(OC) due to its higher LUMO level, better exciton dissociation and less trap assisted carrier recombination.

    Organic solar cell; Non-fullerene acceptor; End group; Imide

    O649.5

    A

    10.7503/cjcu20230182

    2023-04-08

    網(wǎng)絡(luò)首發(fā)日期: 2023-07-11.

    聯(lián)系人簡(jiǎn)介:費(fèi)竹平, 男, 博士, 教授, 主要從事有機(jī)光電功能材料合成及應(yīng)用研究. E-mail: zfei@tju.edu.cn

    姚翔, 男, 博士, 講師, 主要從事光電功能材料與器件研究. E-mail: yaoxiang@tju.edu.cn

    國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào): 2018YFA0703200)和天津大學(xué)自主創(chuàng)新基金(批準(zhǔn)號(hào): 2023XJD-0067)資助.

    Supported by the National Key Research and Development Program, China(No.2018YFA0703200) and the Seed Foundation of Tianjin University, China(No.2023XJD-0067).

    (Ed.: V, K, S)

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