|陈红征团队Nat. Commun.: 多尺度揭示非富勒烯有机光伏材料的结构-性能关系

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导语：研究人员设计并合成了四种型Y系列衍生物非富勒烯受体，其中两个对称型分子为BO-4Cl和BTP-S7 ，两个不对称型分子为BTP-S8和BTP-S9 ，并进一步系统地研究有机光伏材料的结构与性能之间关系。
1.前言
由于光活性层材料的创新，特别是非富勒烯受体（NFAs）的问世，有机光伏（OPVs）已进入迅速发展时期，光电转换效率（PCE）目前已突破18% ， NFAs的每一次发展都伴随着对材料设计与形态或宏观因素之间关系的更好理解。例如， ITIC通过将笨重的D单元与小而强的A单元结合起来，解决了合适的相分离和有效电荷传输之间的矛盾，而Y6则通过引入缺电子核，实现了多个电荷传输通道和更高的PCE 。
为了推动OPVs朝着更高性能发展，是非常有必要在分子结构、形态特征（如分子堆积和相分离）、宏观因素（如载流子迁移率、电荷复合和激子行为）和器件性能之间建立结构-性能相关性。为此，应设计具有精细定制分子结构的NFAs来进行系统研究。与对称型NFAs相比，具有两个不同末端的不对称电子受体，例如A1-D-A2型分子，通过结合或折衷来自两个末端基团的不同优点，在实现更多功能方面具有更多的可能性。

图1:分子结构、光学和电化学性质

2.简介

基于以上的考虑，近日，浙江大学陈红征教授研究团队设计并合成了四种型Y系列衍生物NFAs ，其中两个对称型NFAs为BO-4Cl和BTP-S7 ，两个不对称型NFAs为BTP-S8和BTP-S9 ，并进一步系统地研究OPVs中的结构与性能之间关系。具体而言，这四种NFAs由于延伸共轭、不对称末端和烷基链长度存在相互不同，最终导致分子性质差别。通过相关分析，研究人员发现在NFAs的末端扩展共轭程度可以对促进电荷分离和降低非辐射损耗，从而有利于开路电压的提高。

图2:光伏性能、电荷传输和复合

研究还表明，非对称末端可以更好地平衡三个器件参数，实现高PCE 。需要注意的是，烷基侧链的长度会影响分子的堆积和电子迁移率。缩短烷基侧链可以提高分子的堆积强度，减小π-π距离，从而提高电子迁移率，最终得到更高的填充因子（FF）。因此，基于所设计的烷基侧链较短的不对称受体BTP-S9的OPVs器件在最大程度上得益于分子结构和宏观因素，获得了17.56%的最佳PCE和78.44%的高FF 。

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图3: 相关性分析

3.总结
综上，这项工作为通过分子设计优化特定因素提供了指导，从而为开发更好的光活性材料以获得更高性能的器件铺平了道路。相关研究成果现已发表在国际顶级材料期刊《Nature Communications》上，题为“Unveiling structure-performance relationships from multi-scales in non-fullerene organic photovoltaics” 。
本文关键词：有机光伏，非富勒烯受体，分子优化，电子迁移， BO-4Cl ， BTP-S7 ， BTP-S8 ， BTP-S9 。
4.材料

PM6：1802013-83-7

Y6：2304444-49-1