Adv. Energy Mater.：三维网络结构在有机太阳能电池受体材料中的应用

有机非富勒烯小分子受体材料由于设计合成简单，在可见光甚至是近红外区域有较强吸收，且能级可调，因而近年来受到了越来越多的关注，也取得了突破性的进展。最近有机太阳电池的效率不断被刷新，非富勒烯有机太阳单结的电池效率已超过18%。为了进一步推动此行业的发展，需要从原子层面上理解材料的堆积信息，帮助理解分子不同物理化学性能的内在原因，从而设计具有更高性能的小分子受体材料。

南方科技大学化学系何凤教授团队在之前的工作中（ACS Appl. Mater. Interfaces., 2018, 10, 39992）观察到氯取代分子通过Cl-S、Cl-π、π-π等非共价键相互作用力进行堆积，形成了一个规整的线性堆积J聚集体，这种有序的堆积方式有利于分子间电荷的转移。随后在氯代端基同分异构体体系中（iScience, 2019, 17, 302; J. Phys. Chem. Lett., 2019, 10, 4737），他们提出了三维网络受体的概念，由于氯在端基取代位置的不同，引起了分子从二维线性堆积到三维堆积的分子排列转变，三维堆积可以形成在受体分子中形成更多电子跳跃传输的结点，有利于电荷在分子间的高效传输。在溴原子取代体系里，该课题组同样也发现了受体分子的三维网络堆积行为（Chem. Mater., 2019, 31, 8044）。在最近兴起的高效率A-D-A-D-A类型受体材料里，研究者首次解出了三氟甲基取代的受体分子的单晶结构，发现在该分子中由于多重的分子间相互作用以及H/J聚集的协同作用使得该受体分子形成三维网络传输结构（Joule, 2020, 4, 688）。

图1. 不同卤素取代的单晶堆积排列 (ACS Appl. Mater. Interfaces., 2018, 10, 39992)

图2. 氯取代同分异构体的分子间相互作用以及堆积信息 (iScience, 2019, 17, 302; J. Phys. Chem. Lett., 2019, 10, 4737)

图3. A-D-A-D-A体系分子BTIC-CF3-γ的单晶堆积信息 (Joule, 2020, 4, 688)。

基于在有机太阳能电池受体材料晶体方面的工作，何凤教授团队受邀在国际材料期刊Advanced Energy Materials 上发表相关综述。在此综述里，研究者系统总结了大部分具有确定晶体数据的受体材料，讨论了分子的结构设计，堆积方式以及性能之间的关系。另外，研究者提出了“三维网络堆积”的概念，在此类受体分子中其会拥有更多电子跳跃传输的结点，电子可以沿着xyz三个方向规整的π-π堆积进行传输，从而增加了材料的迁移率，进一步提高其光电性质。另外文章也讨论了在受体材料中有关单晶方面的问题，强调了如何通过现有的单晶信息来理解和调整分子间相互作用力以及聚集状态，从而实现更高效的受体材料的定向合成与设计。

研究者们相信，探索光电材料的微观堆积信息会对材料的性质有更进一步的认识，通过调控分子的聚集状态以及分子间相互作用，可以为新型高效的光伏材料发展提供新的思路。相关论文在线发表在国际材料期刊Advanced Energy Materials （IF =25.2）上，第一作者为南方科技大学-哈尔滨工业大学联合培养博士生赖寒健，通讯作者为南方科技大学化学系教授何凤。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Crystal Engineering in Organic Photovoltaic Acceptors: A 3D Network Approach

Hanjian Lai, Feng He

Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202002678

导师介绍

何凤

https://www.x-mol.com/university/faculty/167552