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通过二聚体局部结构诱导活性层选择性相互作用实现有机光伏效率>20%

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作者：X-MOL 2024-11-13

有机光伏充分利用有机半导体的柔韧性、半透明、易印刷加工等优势，可广泛用于建筑、车载等一体化工程。非富勒烯受体寡聚物因其同时具备小分子和高分子半导体的优势，在有机光伏领域受到广泛关注。近日，香港城市大学的任廣禹教授（点击查看介绍）团队通过调控非富勒烯二聚体的局部结构，诱导其与活性层主受体组分形成选择性非共价相互作用，从而控制三元器件中整体受体的扩散和聚集，由此制备了高效、稳定的有机光伏器件。

非富勒烯二聚体由两个小分子链段构成，链段之间的扭转对于二聚体自身的分子堆积及其与活性层其它组分之间的堆积至关重要。传统控制扭转的策略包括调控链段骨架平面性、改变桥联单元位置、在链段和桥联单元间引入构象锁等。这些策略可以有效调控二聚体自身结晶性，但却较少关注其与活性层其它组分之间的相互作用，以及该多重相互作用对于多组分异质结相分离形貌的具体影响。

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图1. 含不同侧链的二聚体化学结构及相应的双分子理论模型图示：分子构象和弱相互作用。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

香港城市大学团队通过简易的烷氧链取代策略实现可控的分子构象扭转和非共价键合作用，并系统研究分子扭转和非键作用对于二聚体自身相互作用及其与活性层其它组分之间的相互作用的综合影响。相比于传统碳氢链二聚体（DY-IT），烷氧链取代（DYO-IT）通过抑制分子内扭转和增强分子间非键作用诱导产生更加紧密、有序的分子间堆积。而用于多组分活性层时，DYO-IT自身的强相互作用弱化了其与主受体（L8-BO）之间的相互作用，从而抑制整体受体组分的过度聚集。该选择性相互作用可通过双分子理论模型量化分子络合能得以直观地展示（图1），同时也通过分子预聚集和成膜动力学等实验数据得到有效证实。

通过选择性相互作用，二聚体在二元和三元器件中的形貌结构和光伏性能表现出截然相反的趋势，具体表现为：DYO-IT相比于DY-IT自身更强的相互作用使其在二元器件中受体相结晶强，形成大尺度团聚，显著损害光伏性能；而在三元器件中，DYO-IT:L8-BO之间相互作用相比DY-IT:L8-BO明显较弱，有效克服整体受体组分的过度聚集和动力学扩散，从而大幅改善光伏效率和稳定性。

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图2. 复合空穴传输层的掺杂效应调控及相应光伏性能。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

该工作协同调控由自组装单层（SAM）和多金属氧簇（POM）构成的复合空穴传输层的SAM结构，通过供电性的苯基取代抬高SAM的电学能级，增强SAM与POM之间的掺杂效应（图2），从而改善底电极的电荷提取。最终实现20.1%器件效率，并显著消除burn-in降解。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是香港城市大学博士后副研究员樊宝兵，通讯作者为西安石油大学高欢欢副教授和香港城市大学任廣禹教授。

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）：

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Local Structure-Induced Selective Interactions Enables High-Performance and Burn-in-Free Organic Photovoltaics

Baobing Fan, Huanhuan Gao, Liyang Yu, Ruipeng Li, Lei Wang, Wenkai Zhong, Yunfan Wang, Wenlin Jiang, Huiting Fu, Tianqi Chen, Bin Kan, Sai-Wing Tsang, and Alex K.-Y. Jen

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202418439

任廣禹教授简介

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任廣禹，李兆基材料科学首席教授，香港清洁能源研究所（HKICE）创始人及前所长、香港城市大学化学及材料科学首席教授，曾于2016-2020年担任香港城市大学教务长。在台湾清华大学获得学士学位、美国宾夕法尼亚大学获得博士学位。在加入香港城市大学之前，曾担任波音-约翰逊首席教授和西雅图华盛顿大学材料科学与工程系主任。曾被华盛顿州州长任命为清洁能源研究所的首席科学家。跨学科研究涵盖光子学、能源、传感、纳米医学等多领域的有机/复合功能材料与器件。在相关研究领域发表SCI论文1100余篇，被引95,000余次，H因子158，授权发明专利73项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/1589

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