不同卤化端基的非富勒烯受体对有机太阳能电池的影响_郭赟彤.pdf

Chem.J.Chinese Universities,2023,44(7),2023008420230084(1/10)CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES高 等 学 校 化 学 学 报研究论文不同卤化端基的非富勒烯受体对有机太阳能电池的影响郭赟彤1，2，3#，陈振宇1，2，3#，葛子义1，2，3（1.能源光电子材料与器件浙江省工程研究中心,2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所,宁波 315201；3.中国科学院大学,北京 101408）摘要 非富勒烯受体(NFAs)的端基卤化是制备高性能NFAs有机太阳能电池(OSCs)的有效方法.本文合成了 3种NFAs(BTP-SSe-F,BTP-SSe-Cl和BTP-SSe-Br),其具有不同的卤化端基,分别为IC-2F,IC-2Cl和IC-2Br.对 3种NFAs的光物理性能、电化学性质、有机光伏性能和活性层形貌等进行测试分析发现,氟化NFAs比氯化和溴化NFAs具有更低的能级.3种NFAs的紫外-可见吸收光谱相比于常见的受体材料都出现了红移,而且BTP-SSe-F具有更强的分子间作用力.BTP-SSe-F具有更优异并且平衡的电子和空穴迁移率.与BTP-SSe-Cl和BTP-SSe-Br相比,BTP-SSe-F共混膜具有更合适的粗糙度、更好的相分离尺寸和更强的-堆积作用.当聚(2,6-(4,8-双(5-(2-乙基己基-3-氟)噻吩-2-基)-苯并1,2-B:4,5-B二噻吩)-ALT-(5,5-(1,3-二-2-噻吩-5,7-双(2-乙基己基)苯并1,2-C:4,5-C二噻吩-4,8-二酮)(PM6)作为给体材料,基于BTP-SSe-F的光电器件表现出最高的功率转换效率(PCE=16.5%),具有最高的电流密度(JSC=28.17 mA cm2)和填充因子(FF=74.11%).研究结果表明,不同卤化端基的NFAs对OSCs的光电性能有较大影响,其中端基的氟化可以有效构建高性能光伏材料.关键词 有机太阳能电池；卤化；端基工程；非富勒烯受体中图分类号 O613.4；O644.1 文献标志码 A doi：10.7503/cjcu20230084Effects of Different Halogenated End-groups Non-fullerene Acceptors on the Organic Solar CellsGUO Yuntong1，2，3#，CHEN Zhenyu1，2，3#，GE Ziyi1，2，3*（1.Zhejiang Provincial Engineering Research Center of Energy Optoelectronic Materials and Devices；2.Ningbo Institute of Materials Technology Engineering，Chinese Academy of Sciences，Ningbo 315201，China；3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 101408，China）Abstract The end-group halogenation of non-fullerene acceptors（NFAs）is an effective method to fabricate high-performance NFAs organic solar cells（OSCs）.Here in，three NFAs，BTP-SSe-F，BTP-SSe-Cl and BTP-SSe-Br，were synthesized.They had different halogenated end groups，IC-2F，IC-2Cl and IC-2Br，respectively.The photophysical properties，electrochemical properties，organic photovoltaic properties and active layer morphology of the three NFAs were tested and analyzed.It was found that fluorinated NFAs had lower energy levels than chlorinated and brominated NFAs.The UV-visible absorption spectra of the three NFAs all showed red-shifting，and the intermolecular force of BTP-SSe-F was stronger.BTP-SSe-F had better electron and hole mobility and more balanced electron and hole mobility.Compared with BTP-SSe-Cl and BTP-SSe-Br，BTP-SSe-F blends had more suitable roughness，收稿日期：2023-02-27.网络首发日期：2023-03-21.联系人简介：葛子义,男,博士,研究员,主要从事有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池以及OLED方面的研究.E-mail:基金项目：国家杰出青年科学基金(批准号:21925506)资助.Supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars,China(No.21925506).#共同第一作者.CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES高 等 学 校 化 学 学 报研究论文Chem.J.Chinese Universities,2023,44(7),2023008420230084(2/10)better phase separation size and stronger packing.When PM6 was used as the donor material，the BTP-SSe-F based optoelectronic devices exhibited the highest power conversion efficiency（PCE=16.53%），the highest current density（JSC=28.17 mA/cm2）and the highest filling factor（FF=74.11%）.These results indicate that different halogenated end-group NFAs have great influence on the photoelectric performance of OSCs，and the fluorination of end-group can be very effective in constructing high-performance photovoltaic materials.Keywords Organic solar cell；Halogenation；Engineering of end-group；Non-fullerene acceptor有机太阳能电池（OSCs）作为一种新兴的太阳能收集技术，具有质量轻、灵活性和成本低等优点，引起广泛关注1，2.随着非富勒烯受体（NFAs）的出现，有机太阳能电池的功率转换效率（PCE）已经超过19%3.与传统的富勒烯受体相比，NFAs在OSCs中表现出许多显著的优势，包括更容易合成和纯化、更广泛的吸收范围、易于修饰分子结构和可调的电子能级4.分子设计对制备高效OSCs具有重要影响，分子结构细微的调节会引起有机半导体光伏性能的显著变化5.由于NFAs易于修改的化学结构，可以调整和优化分子的光物理、电化学和光电性质，以实现高效的活性层材料6.中心单元的修饰7、侧链工程8和端基工程9都被用于修饰化学结构，从而 改变材料性能.其中，端基卤化可以有效调节分子能级、光学带隙和分子堆积10.Chen等11发现，与 CH-6F 和 Y6 相比，CH-4Cl 和 CH-6Cl 与聚 （2，6-（4，8-双（5-（2-乙基己基-3-氟）噻吩-2-基）-苯并 1，2-B：4，5-B 二噻吩）-ALT-（5，5-（1，3-二-2-噻吩-5，7-双（2-乙基己基）苯并 1，2-C：4，5-C 二噻吩-4，8-二酮）（PM6）混合时，电子重组能降低，分子间堆积距离缩短，能量紊乱更低.Wang等9发现，与Y-FCl相比，Y-FClF具有更紧凑的三维网络布局和更显著的电子耦合.PM6 YFClF共混膜在3种共混膜中均表现出最优良的结晶度，具有优异的face-on取向.因此，卤化端基是优化光伏性能的有效手段.本文对不同卤化元素取代的端基进行了研究，设计合成了含有不同卤化端基的一系列分子 BTP-SSe-F，BTP-SSe-Cl和BTP-SSe-Br.以噻二唑作为中心单元，选择吸收光谱更加红移的硒酚并噻吩连接在中心单元上12.未选择常见的噻吩环而是硒酚环，是由于Se-O更强的非共价构象锁定可以更好地抑制中心供体和端基之间非必要的旋转，从而保持分子的几何结构更加平面.众所周知，相对平面的分子几何形态更倾向于在固体状态下形成更有序、更紧密的分子堆叠13.对3个NFAs进行分析发现，小分子BTP-SSe-F，BTP-SSe-Cl和BTP-SSe-Br的吸收光谱表现出拓宽和红移现象，BTP-SSe-F具有更宽的吸收范围.BTP-SSe-F和BTP-SSe-Br具有相对较窄的带隙.BTP-SSe-F具有最低的最低未占分子轨道（LUMO），LUMO值越低越容易接收电子，吸电子能力越强.BTP-SSe-F具有最优的电子和空穴迁移率，以及更加平衡的电子空穴迁移率.PM6和BTP-SSe-F混合膜具有合适的粗糙度和相分离尺度、激子解离和载流子输运.与BTP-SSe-Cl和BTP-SSe-Br相比，BTP-SSe-F与PM6混合时，由于其较高的电流密度（JSC=28.17 mA/cm2）和较高的填充因子（FF=74.11%），获得最高功率转换效率（PCE=16.53%）.基于BTP-SSe-Cl和BTP-SSe-Br的有机光伏器件的PCE分别为15.18%和13.18%.1 实验部分1.1试剂与仪器石油醚、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、异丙醇、氧氯化磷、碳酸钾和吡啶，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；邻二氯苯，无水级，纯度99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；1，2-二氯乙烷，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；N，N-二甲基甲酰胺（DMF），无水级，纯度99.8%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；甲苯，高效液相色谱（HPLC）级，国药集团化学试剂有限公司；甲醇，HPLC级，北京百灵威科技有限公司；三苯基膦，纯度99.0%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；碘化钾和四三苯基膦钯 Pd（PPh3）4，纯度98%，安徽泽升科技有限公司；无水碳酸钠，纯度99.5%，上海麦克林生化科技股份有限公司；5，6-二氟-3-（二氰基亚甲基）茚-1-酮，5，6-二氯-3-（二氰基亚甲基）茚-1-酮，5，6-二溴-3-（二氰基亚甲基）茚-1-酮，1-溴-3-乙基庚烷和三丁基（6-十一烷基硒酚并 3，2-b 噻CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES高 等 学 校 化 学 学 报研究论文Chem.J.Chinese Universities,2023,44(7),2023008420230084(3/10)吩-2-基）锡烷，纯度98%，南京知研科技有限