Chem. Mater. | 基于茚并二噻吩并[3,2-b]噻吩修饰的稠环电子受体的合成与器件性能研究

英文原题：Modification on Indacenodithieno[3,2-b]thiophene Core to Achieve Higher Current and Reduced Energy Loss for Nonfullerene Solar Cells

通讯作者：俞江升, 唐卫华，南京理工大学；闵杰，武汉大学；刘烽，上海交通大学  

作者：Zhuohan Zhang（张倬涵）, Hongtao Wang（王宏涛）, Jiangsheng Yu（俞江升）, Rui Sun （孙瑞）, Jinqiu Xu（徐锦秋）, Linqiang Yang（杨琳强）, Renyong Geng（耿仁勇）, Jinru Cao（曹金如）, Fuqiang Du（杜富强）, Jie Min（闵杰）, Feng Liu（刘烽）, Weihua Tang（唐卫华）

稠环电子受体（FREAs）是非富勒烯受体中极为优秀的一个系列材料。目前，基于FREAs的器件已经超过16%，在实际应用中显示出了巨大的潜力。以受体-供体-受体（A-D-A）型结构为特征的ITIC是最著名的FREAs，大量的精力被用于改善基于ITIC系列FREAs的器件性能，主要通过以下手段：分子设计、器件优化和界面工程。ITIC得益于易于结构修饰的特点，通过引入功能原子或基团进行分子工程，大大提高了ITIC系列的器件性能。

近日，南京理工大学唐卫华教授课题组在茚并二噻吩并[3,2-b]噻吩（IT）稠环结构上进行修饰，深入探究了IT中苯环上不同的取代基对FREAs的性质和器件性能的影响。通过在IT上引入弱的供电子基端甲基和甲氧基，设计与合成了IM-4F和IOM-4F（图1a）。相比于未取代的IT-4F、IM-4F和IOM-4F具有明显红移的吸收和略有抬升的最低未占有轨道能级（LUMO）（图1c和图1d）。此外，由于官能团的引入一定程度上对分子结构的刚性造成影响，从而对材料的结晶性和混溶性造成了影响（图1b）。通过与给体聚合物PM6匹配制备OSC，表征了IT-4F、IM-4F和IOM-4F的材料性能。结果表明基于IM-4F和IOM-4F的器件表现出了更高的短路电流（分别为22.12和21.66 mA cm^-2）和开路电压（分别为0.88 和0.86 V），而基于IT-4F的短路电流和开路电压均较低，分别为20.02 mA cm^-2和0.85 V （表1）。通过与上海交通大学刘烽教授课题组合作，作者使用掠入式广角X射线衍射对活性层形貌进行了研究（图2）。研究发现甲基和甲氧基的引入能够略微增强活性层的结晶性和π-π堆积强度，这有利于器件电流的提升。此外，通过接触角测试研究了材料的混溶性，IM-4F和IOM-4F与PM6的混溶性明显增强，结合原子力显微镜测试形貌的结果可以发现甲基甲氧基取代可能会降低活性层的相纯度，因此导致填充因子略有降低。通过与武汉大学闵杰教授课题组合作，作者深入研究了结构修饰对器件能量损失的影响（图3）。与PM6:IT-4F的器件相比，PM6:IM-4F和PM6:IOM-4F的器件均表现出更低的辐射和非辐射复合能量损失。该工作深入研究了结构修饰对器件性能的影响，为进一步挖掘FREAs有机太阳能电池的器件性能提供参考，并提供了一种有效降低电池体系能量损失的策略。

图1. IT-4F，IM-4F和IOM-4F的化学结构式（a）、表面静电势（b）、能级分布（c）和光谱吸收（d）

图2. （a）PM6、PM6/IT-4F，PM6/IM-4F和PM6/IOM-4F的GIWAXS图；（b）相对应的面内（黑色虚线）和面外（红色实线）曲线

图3. 三个器件的FTPS–EQE、EQE、normalized EL、和Ф_EL/Ф_bb

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Modification on the Indacenodithieno[3,2-b]thiophene Core to Achieve Higher Current and Reduced Energy Loss for Nonfullerene Solar Cells

Zhuohan Zhang, Hongtao Wang, Jiangsheng Yu*, Rui Sun, Jinqiu Xu, Linqiang Yang, Renyong Geng, Jinru Cao, Fuqiang Du, Jie Min*, Feng Liu*, Weihua Tang*

Chem. Mater., 2020, DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b04911

Publication Date: January 14, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

导师介绍

唐卫华

https://www.x-mol.com/university/faculty/21260

（本稿件来自ACS Publications）