基于非对称多元稠环策略的高性能A-D-A型小分子受体材料

有机太阳能电池作为一种将光能转化为电能的清洁能源技术,由于其具有质轻,价廉,柔性和可溶液加工等优点,受到了人们的日益关注。近年来,非富勒烯受体材料由于具有化学结构易于修饰,光谱和能级易于调控以及形貌稳定性良好等优点,成为了有机太阳能电池领域的研究热点。设计和合成结构新颖的非富勒烯受体材料有望进一步提高光电转换效率(PCE)。

非对称TPTT-IC和对称ITIC受体材料的化学结构式以及紫外吸收和电流密度-电压曲线图

最近,北京航空航天大学化学学院的孙艳明教授课题组和中科院化学所的易院平研究员课题组合作,首次报道了一种新型非对称梯形噻吩-苯-噻吩并[3,2-b]噻吩稠环构建单元TPTT以及以该单元为中间核的非对称A-D-A型非富勒烯受体材料TPTT-IC。该TPTT构建单元的给电子能力与π共轭长度介于引达省并二噻吩(IDT)与引达省并二噻吩并[3,2-b]噻吩(IDTT)之间。理论计算表明,TPTT-IC 分子的结合能高于ITIC分子,因而具有更强的分子间相互作用,这有助于获得较高的电子迁移率。空间电荷限制电流(SCLC)方法证实了这一结论。实际SCLC测试中, TPTT-IC的电子迁移率为4.3×10-4 cm2 V-1 s-1,而ITIC的电子迁移率为2.8×10-4 cm2 V-1 s-1,而且TPTT-IC混合膜比ITIC混合膜也具有更高的空穴和电子迁移率,这有助于提高光伏器件的光电流和填充因子。结果表明,PBT1-C:TPTT-IC反向光伏器件的最高PCE为10.5%,而在同等条件下,PBT1-C:TPTT-IC器件的最高PCE为10.2%。10.5%的效率也是迄今为止文献报道的基于非对称A-D-A型非富勒烯受体材料中的最高值。相对于以对称多元稠环单元为中间核来设计A-D-A型非富勒烯受体的传统思路,该研究成果提供了一种新思路:以非对称多元稠环单元为中间核来构筑高性能A-D-A型非富勒烯受体。 该工作发表在Journal of Materials Chemistry C (DOI: 10.1039/C8TC01229F)上,文章的第一作者是北京航空航天大学化学学院的博士生李超和谢远鹏(共同一作),通讯作者为北京航空航天大学化学学院的孙艳明教授和中科院化学所的易院平研究员。

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