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  有機(jī)太陽能電池由于其低成本、質(zhì)輕和可大面積柔性加工等優(yōu)點(diǎn)得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。有機(jī)非富勒烯小分子受體材料由于其設(shè)計(jì)合成較為簡(jiǎn)單和容易純化，在可見光甚至是近紅外區(qū)域有較強(qiáng)吸收，且能級(jí)可調(diào)，因而近年來受到研究者們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。尤其是基于稠環(huán)單元的受體材料更是受到人們的關(guān)注，通過優(yōu)化其稠環(huán)單元結(jié)構(gòu)，調(diào)整烷基側(cè)鏈，以及引入鹵原子等方法，單節(jié)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破18%。正如人們所知，烷基側(cè)鏈對(duì)非富勒烯小分子的可加工性和器件制備十分重要。不同的烷基鏈也會(huì)對(duì)非富勒烯小分子的分子堆積、膜的形貌和最后器件的光伏性能產(chǎn)生非常大的影響。最近基于多重稠環(huán)中心的氟取代受體材料體系其能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到15.7%，通過在該系列分子上引入氯原子取代以及不同烷基鏈修飾，可使最后得到的受體具有更加優(yōu)異的電子傳輸結(jié)構(gòu)形貌（三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）以及良好的溶液加工性能。

  近日，南方科技大學(xué)何鳳副教授課題組成功合成了四種氯取代的不同烷基鏈（一種為直鏈烷基鏈，其他三種為不同大小的支化烷基鏈）小分子受體材料體系（圖1），研究發(fā)現(xiàn)不同烷基鏈的引入對(duì)受體最后器件性能的影響非常大，其能量轉(zhuǎn)換效率介于9% 和17%之間。經(jīng)過優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，2-丁基辛基側(cè)鏈修飾的氯取代受體BTIC-BO-4Cl具有的能量轉(zhuǎn)換效率最高，當(dāng)用氯苯作為加工溶劑時(shí)，其單節(jié)二元器件最高效率達(dá)到了16.43%。通過BTIC-BO-4Cl 的單晶分析（圖2）可以得知BTIC-BO-4Cl分子內(nèi)N原子上完全相同的兩個(gè)2-丁基辛基側(cè)鏈處于完全相反的兩個(gè)排列方向上，這就意味著烷基鏈的大小特別是烷基鏈的相對(duì)長(zhǎng)度會(huì)對(duì)相鄰兩個(gè)分子之間的堆積會(huì)產(chǎn)生較大的影響，由此深入探究側(cè)鏈的影響也具有重要意義。同時(shí)在晶體堆積方面，由于多重互鎖的Cl-S以Cl-π相互作用，BTIC-BO-4Cl在垂直方向形成了有四個(gè)分子構(gòu)成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而且這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)會(huì)沿著該方向一直延續(xù)，由此形成柱狀的三維互穿的分子空間結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的共軛分子的線性π-π堆積，這種三維互穿構(gòu)型可在分子間構(gòu)筑更多的堆積結(jié)點(diǎn)（intermolecular joint），利于更加有效的進(jìn)行分子間的電子跳躍傳輸（electron hopping）,優(yōu)化材料的光電轉(zhuǎn)換性能。

圖1. 氯取代受體的化學(xué)結(jié)構(gòu)式以及BTIC-BO-4Cl的晶體結(jié)構(gòu)以及太陽能器件效率。

圖2. BTIC-BO-4Cl的單晶結(jié)構(gòu)圖

  研究中以聚合物PBDB-T2F為給體，BTIC-BO-4Cl為受體制備的非富勒烯有機(jī)太陽能電池器件的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了16.43 %, 其中，開路電壓為0.85 V，短路電流為25.26 mA cm^-2，填充因子為76.25%。與此相比，BTIC-C12-4Cl， BTIC-EH-4Cl，和 BTIC-HD-4Cl器件的最高能量轉(zhuǎn)換效率分別為11.36%，14.28%，和13.95%。值得注意的是，由于基于BTIC-BO-4Cl器件的能量損失(0.58 eV)要比具有直鏈取代的BTIC-C12-4Cl (0.65 eV)小， BTIC-BO-4Cl可以在明顯光譜明顯紅已的情況下依然可在在其器件中保持較高的開路電壓，從而實(shí)現(xiàn)BTIC-BO-4Cl器件參數(shù)的全面提升，最后獲得最優(yōu)的效率。此外，通過同步輻射光源的掠入射X射線衍射（GIXD）研究發(fā)現(xiàn)(圖3)，PBDB-TF:BTIC-EH-4Cl, PBDB-TF:BTIC-BO-4Cl, 和 PBDB-TF:BTIC-HD-4Cl共混膜的π-π距離分別為3.9, 3.8 和3.8 ?, 而在PBDB-TF: BTIC-C12-4Cl共混膜中卻幾乎看不到衍射峰。該結(jié)果表明，在這一系列分子中，支化烷基鏈修飾對(duì)獲得高效率的非富勒烯小分子受體材料是十分關(guān)鍵的，優(yōu)化支化烷基鏈的大小可以進(jìn)一步提高器件的光伏性能。

圖3. PBDB-TF: BTIC-C12-4Cl (a), PBDBTF: BTIC-EH-4Cl (b), PBDB-TF: BTIC-BO-4Cl (c), 和 PBDB-TF: BTIC-HD-4Cl (d)混合膜的GIWAXS 2D散射圖和相應(yīng)的曲線圖(e和f). 

  以上成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（10.1039/c9ta12558b）上。該工作的第一作者為南方科技大學(xué)-澳門大學(xué)2016級(jí)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生莫代澤，共同第一作者為課題組研究助理教授陳暉和華南理工大學(xué)博士后周家東，通訊作者為何鳳副教授，共同通訊作者為華南理工大學(xué)謝增旗教授。

  該研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)、深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究等項(xiàng)目以及深圳格拉布斯研究院和南方科技大學(xué)分析測(cè)試中心的大力支持。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/c9ta12558b#!divAbstract