摘要：
北京化工大学李韦伟教授团队设计合成了两种以苝酰亚胺为受体，苯并二噻吩为核，分别使用三联噻吩和环戊联噻吩作为连接π桥的小分子单组分材料，并对其光学、电学、热学性质、分子堆积性质以及光电性能等进行了系统的研究。研究发现，具有环戊联噻吩稠环π桥结构的F-MDPBI展现出end-on取向，而具有联噻吩线性π桥结构的L-MDPBI表现出edge-on取向。End-on的取向赋予F-MDPBI更为规整的薄膜形貌，更高的空穴迁移率，因此在单组分有机太阳能电池（SCOSCs）中表现出接近0.6的填充因子（FF）以及4.89%的能量转换效率（PCE），这是迄今为止基于小分子单组分太阳能电池中最高的FF值以及PCE之一。
文章内容：
近年来，得益于有机光电材料、界面工程和器件工艺的不断创新，有机光伏（OPV）电池的能量转换效率已经超过了19%。其中，活性层的分子堆积和排列方式对有机光伏的光电转换过程具有重要影响。共轭材料的分子取向主要包括edge-on, face-on和end-on。edge-on和face-on分子取向已经被广泛探究，而end-on分子取向却鲜见报道。由于在有机太阳能电池(OSCs)中电荷输运沿垂直方向进行，因此具有垂直于基底的共轭主链的end-on取向被认为是有机太阳能电池的理想微结构。原则上来说，活性层材料形成有序的“end-on”堆积方式可促进载流子在垂直方向的高效传输，从而有利于提升器件的能量转换效率。
本文中，北京化工大学李韦伟教授团队利用π桥稠环化策略，设计合成了两种以苝酰亚胺为受体，以苯并二噻吩为核的小分子单组分材料，分别命名为L-MDPBI和F-MDPBI（图1a）。值得一提的是，作者开发的前体可以显著简化合成的复杂性，并且合成路线只进行了两步合成，总收率约为70%（图2）。进一步通过对光学和电学性能研究分析得到，两种小分子有机太阳能电池活性层都具有合适的光谱互补吸收（图3a-b）以及合适的能级（图3c）。同步辐射研究表明（图4），通过π桥稠环化策略，作者观察到分子取向由L-MDPBI的edge-on取向转变为F-MDPBI的end-on取向（图1b，图4)。进一步的，通过空间电荷限制电流（SCLC）、有机场效应晶体管（OFET）以及瞬态吸收（TA）测试，F-MDPBI在end-on方向的载流子迁移率数值展现出比edge-on取向的L-MDPBI高一个数量级的大小，这进一步佐证了F-MDPBI的end-on取向，同时也说明end-on取向有利于载流子在垂直方向上输运（图4-6，表1）。因此，基于end-on取向F-MDPBI的单组分OSCs获得了填充因子接近0.6，PCE为4.89%的结果，这是迄今为止基于小分子的SCOSCs中最高的PCE之一（图1c）。而基于egde-on取向的L-MDPBI的PCE仅为1.70%（表1）。
该项工作表明，合理设计π桥稠环化分子结构，可以调控分子的堆积形态，实现从edge-on到end-on的转变，从而实现高性能的小分子单组分有机太阳能电池。该工作为合理设计高性能的小分子有机太阳能电池材料提供了指导方向。
图1. (a)文中涉及的化学结构 (b) L-MDPBI的edge-on和F-MDPBI的end-on取向示意图 (c)小分子单组分有机太阳能电池的功率转换效率与FF的关系汇总。
相关成果以“Fused-Ring Induced End-on Orientation in Conjugated Molecular Dyads toward Efficient Single-Component Organic Solar Cells”为题发表在Wiley杂志社Aggregate期刊上。江西省科学院应化所的夏冬冬博士为论文共同第一作者和共同通讯作者，北京化工大学李韦伟教授及江西省科学院应化所赵朝委副研究员为共同通讯作者。本研究由北京市自然科学基金(JQ21006)，国家自然科学基金(52073016和92163128)以及江西省科技厅及江西省科学院基金（jxsq2019102004，20212BCJ23035和2021YSBG22034）等联合资助。