南開陳永勝JACS：效率破 20.6%！中心核扭絞構(gòu)建受體抑制二元OSCs中非輻射損耗

主要內(nèi)容

在不影響短路電流密度和填充因子的前提下設(shè)計(jì)非輻射能量損失低的受體材料，仍是實(shí)現(xiàn)高效有機(jī)太陽能電池的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為此，南開大學(xué)陳永勝、萬相見與蘇州大學(xué)陳先凱等人聯(lián)合設(shè)計(jì)并合成了兩種具有中心核扭曲構(gòu)象的受體材料（命名為 a-Th2Cl 和 a-Th2Br），其核心設(shè)計(jì)亮點(diǎn)是通過單鍵連接，將氯化和溴化噻吩單元引入 Y 系列受體的中心吡嗪核，突破了傳統(tǒng)的中心核共軛延伸受體設(shè)計(jì)思路。

單鍵周圍的旋轉(zhuǎn)使分子形成扭曲構(gòu)象，有效抑制了從溶液到薄膜轉(zhuǎn)變過程中的聚集誘導(dǎo)猝滅（ACQ）效應(yīng)，同時(shí)維持了高效的分子間堆積，既有利于提升光致發(fā)光量子產(chǎn)率，也為降低非輻射能量損失（ΔEnr）奠定了基礎(chǔ)。X 射線晶體結(jié)構(gòu)分析表明，a-Th2Br 呈現(xiàn)出獨(dú)特的分子堆積行為，具有強(qiáng) J - 聚集特性；理論模擬則顯示，與基準(zhǔn)受體 L8-BO 相比，a-Th2Br 聚集體的激發(fā)態(tài)電荷轉(zhuǎn)移程度降低、熒光振子強(qiáng)度增強(qiáng)，這也合理解釋了兩種受體薄膜及對(duì)應(yīng)器件兼具高光致發(fā)光量子產(chǎn)率和低非輻射能量損失的原因。值得注意的是，盡管 a-Th2Cl 和 a-Th2Br 與 L8-BO 具有相同的光學(xué)帶隙，但二者的 ΔEnr 值分別低至 0.202 eV 和 0.194 eV，顯著優(yōu)于 L8-BO 的 0.229 eV。

此外，這兩種受體與給體材料 PM6 共混時(shí)，均能形成優(yōu)異的本體異質(zhì)結(jié)形貌。最終，基于 PM6:a-Th2Cl 和 PM6:a-Th2Br 的二元有機(jī)太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）分別達(dá)到 19.87% 和 20.60%（其中 a-Th2Br 體系認(rèn)證效率為 20.05%）；尤其是 PM6:a-Th2Br 器件，還實(shí)現(xiàn)了 0.914 V 的高開路電壓（Voc）、27.67 mA?cm?2 的短路電流密度（JSC）和 81.47% 的填充因子（FF），成為國(guó)際上少數(shù)同時(shí)提升三大關(guān)鍵性能參數(shù)、效率突破 20% 閾值的二元有機(jī)太陽能電池（OSCs）之一。這些結(jié)果凸顯了中心核扭曲構(gòu)象分子設(shè)計(jì)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與潛力，尤其是在調(diào)控分子堆積方面的關(guān)鍵作用，也證實(shí)了中心核工程策略可同時(shí)實(shí)現(xiàn)非輻射損失的抑制與高短路電流密度、高填充因子的兼顧，為高性能受體材料的開發(fā)提供了重要指導(dǎo)。

文獻(xiàn)信息

Central Core-Twisted Conformation Acceptors Achieving 20.60% Efficiency via Suppression of Nonradiative Losses without Sacrificing Current and Fill Factor in Binary Organic Solar Cells

Ruohan Wang，Xiaodong Si，Le Mei，Wenkai Zhao，Wendi Shi，Xian-Kai Chen，Guangkun Song，Longyu Li，Zheng Xiao，Zhaoyang Yao，Guankui Long，Chenxi Li，Xiangjian Wan，Yongsheng Chen

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c13302

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