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北理工团队在硒取代有机太阳能电池受体材料方面取得重要进展

供稿、供图:化学与化工学院    编辑:田柳

近期,北京理工大学化学与化工学院王金亮教授团队在新型硒取代位置异构化的小分子受体材料创制及其在高性能有机太阳能电池器件化应用方面取得重要进展。相关成果以“Optimized Crystal Framework by Asymmetric Core Isomerization in Selenium-Substituted Acceptor for Efficient Binary Organic Solar Cells”为题,发表在化学领域国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》(2023, 62, e202313016)上。北京理工大学化学与化工学院王金亮教授、安桥石特别研究员、国家纳米中心魏志祥研究员和邓丹研究员为共同通讯作者,北京理工大学为第一通讯单位,化学与化工学院博士研究生杨灿为该论文的第一作者。

面对全球能源?;突肪澄廴疚侍?,为加快实现国家提出的“双碳”目标,一场针对新型清洁能源开发与利用的革命正在紧锣密鼓地孕育当中。有机太阳能电池(OSCs)因其自身具有良好的溶液加工性、机械柔性、透明、质轻、易于卷对卷印刷和规?;票傅忍匦远甘芄刈?,并在柔性可穿戴电子器件、室内光伏和建筑集成一体化领域展现出了巨大的商业应用潜力。其中开发新型小分子受体(SMAs)材料是获得高性能OSCs的最有效途径之一。从分子工程设计的角度来看,SMAs性能优化可以通过有效的调控分子的给电子中心核、缺电子端基和烷基侧链等策略来实现。其中含硒芳香杂环的引入是一种有效的分子设计策略,可以协同优化小分子的光电特性并在各种类型的OSCs中提高器件性能。然而,与许多含硫杂环的受体相比,硒取代的SMAs的系统研究相对匮乏。同时,如何利用分子工程来精确调节硒取代受体材料的电子结构和晶体堆积,进而优化薄膜形态,实现器件性能参数之间的最佳平衡点,发展性能优异的受体材料,是目前有机太阳能电池领域亟待解决的关键科学问题之一。

图1. 三个硒取代异构受体的分子结构、晶体堆积、器件效率及其设计策略

针对上述的关键科学问题,王金亮教授团队在前期重原子取代的有机小分子太阳能电池材料的创制及其在高性能有机太阳能电池中的应用研究工作(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19241, ESI高被引论文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202216340; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209454; Energy Environ. Sci., 2022, 15, 320; ACS Energy Lett., 2018, 3, 2967等)的基础上,为了实现更加性能优异的硒取代小分子受体材料体系,最近通过运用一种核心单硒取代类型和位置(中心位置、内侧位置和最外侧位置)的区域异构化策略,设计合成了一系列单硒取代的新型异构化小分子受体材料(S-CSeF、A-ISeF和A-OSeF),其具有相同的缺电子端基和烷基侧链基团,但具有三个不同硒原子取代环境的异构化的中心核(DA’’D、D2A’D和D1A’D)。系统地探讨了三种(对称/不对称)区域异构体的光电行为、分子间堆积的单晶结构、与新型聚合物给体PM1的共混形态以及对相应OSCs的光伏性能和能量损失的影响。

图2. 三个硒取代异构受体材料的晶体堆积图

单晶堆积图显示,相比于S-CSeF和A-ISeF,基于最外侧硒取代核心的不对称A-OSeF由于额外的分子内Se-O和分子间F-Se非共价作用的存在,呈现出了平面性更强的分子骨架、更紧密更有序的3D网络堆积,促进了更高效的电子传输通道的形成。从S-CSeF到A-ISeF, 再到A-OSeF,随着单硒原子取代位置的外移,相应纯膜的光学带隙逐渐变宽、结晶性逐渐增强、电子迁移率逐渐增大。将其分别和商品化聚合物给体PM1共混后,基于A-OSeF的二元电池光电能量转换效率高达18.5%,明显高于基于A-ISeF(17.6%)和S-CSeF(16.3%)的器件结果。其性能的提升主要归因于A-OSeF抬升的LUMO能级以及最优的纳米纤维共混形貌和分子堆积,进而促进了更有效的激子产生和收集以及显著抑制了能量损失。值得一提的是,18.5%的光电能量转换效率是报道时基于硒取代小分子受体二元本体异质结型有机太阳能电池的效率记录值。综上,这项系统性的工作不仅证明了SMAs中硒取代位置和硒杂芳环类型的调控在优化晶体堆积行为和促进硒取代受体高效率和低能量损失平衡中的协同作用和重要性,而且对未来发展高性能的SMAs的协同设计原则提供了新的见解。

图3. 三个硒取代受体材料的有机太阳能电池器件性能对比

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目、国家海外高层次青年人才项目、北京理工大学特立青年学者计划、北京理工大学研究生科研水平和创新能力提升专项计划等项目以及北京市光电转换材料重点实验室和北京理工大学分析测试中心的支持。韩国高丽大学的Han Young Woo教授、北京工商大学李熊教授团队、中科院化学所朱晓张研究员团队给予了大力支持。

文章链接:https://doi.org/10.1002/anie.202313016

附主要通讯作者简介:

王金亮,化学与化工学院教授、博士生导师。2008年博士毕业于北京大学化学与分子工程学院(导师:裴坚教授),2013年入选国家海外高层次青年人才计划,2021年成为中国化学会高级会员。主要从事有机与高分子光电能量转换材料创制及其在高性能有机太阳能电池中的应用研究。至今在J. Am. Chem. Soc.等国际高水平学术期刊上发表SCI论文100余篇,总被引用7000余次。2016年被评为北理工优秀硕士学位论文指导教师,2021年被评为北京市优秀本科毕业论文指导教师。目前担任《SusMat》、《Battery Energy》和《EcoEnergy》青年编委和北理工英文学报编委。

安桥石,北京理工大学化学与化工学院特别研究员、博士生导师。2020年4月加入北京理工大学化学与化工学院,主要从事有机光电子材料与器件方面的工作。迄今以第一/通讯作者身份在Energy Environ. Sci.; Angew. Chem., Int. Ed.; ACS Energy Lett.等国际高水平期刊上发表SCI论文40余篇,论文共计被引7000余次,主持国家自然科学基金等项目,入选科睿唯安全球高被引科学家。

(审核:王振华)