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  近年來，n-型有機半導體小分子受體材料因其具有化學結構易修飾、分子能級和吸收光譜易調控、成本低廉等顯著優點而受到研究者們的廣泛關注。其中，基于稠環電子受體（FREAs）的聚合物太陽能電池的光電轉換效率不斷被刷新，目前已經超過14%。這類受體材料通常以富電子的芳香稠環為核，保證分子的平面性，有利于電荷傳輸。但相比于傳統的富勒烯受體材料，稠環小分子具有更快的結晶速度，在成膜過程中易于形成大的聚集，破壞活性層的形貌。為此，人們主要通過側鏈工程解決這一難題。通過sp3的碳引入位阻較大的烷基側鏈，增強溶解性的同時限制芳香稠環的自聚集，從而避免稠環小分子與聚合物共混時形成大的相分離。然而，側鏈位阻增大會破壞分子的緊密堆積，不利于電荷傳輸。因此，為了獲得高性能的聚合物太陽能電池，設計具有高遷移率和合適的聚集行為的稠環電子受體至關重要。

  最近，北京師范大學薄志山教授課題組通過修飾受體小分子的端基，有效調控活性層相分離尺寸，同時提高了受體小分子的電子遷移率。他們通過Suzuki偶聯在IDT-IC的端基上以單鍵引入芳香基團（苯環或噻吩環），得到了兩個受體小分子材料IDT-IC-B和IDT-IC-T（圖1）。DFT計算和XRD測試表明芳香基團的引入可以改變端基的平面性從而影響受體小分子的結晶行為。TEM表征發現基于PBDB-T:IDT-IC-B/IDT-IC-T制備的器件，其活性層形貌呈現出均勻分布的纖維狀聚集和合適的納米尺寸相分離；而PBDB-T:IDT-IC薄膜呈現出明顯較強的聚集。同時DFT計算和SCLC測試表明，芳香基團的引入擴大了端基的共軛骨架，增強了端基間的π–π作用，從而形成分子間電子傳輸的有效通道，提高受體小分子的電子遷移率。

圖1. (a) IDT-IC, IDT-IC-T和IDT-IC-B的分子結構以及對應的DFT計算優化的二聚體的堆積方式；(b) PBDB-T:IDT-IC, (c) PBDB-T:IDT-IC-T 和 (d)PBDB-T:IDT-IC-B的TEM圖。

  以PBDB-T為給體材料，基于IDT-IC-T和IDT-IC-B的器件的外量子效率（EQE）都高于IDT-IC（圖2），最高可達到75%。基于IDT-IC-T和IDT-IC-B的器件效率分別達到了9.43%（Voc =0.86 V, Jsc = 15.91 mA cm?2, FF = 0.69）和8.72% （Voc = 0.87V, Jsc = 14.31 mA cm?2, FF = 0.70），明顯高于基于IDT-IC的5.82%（Voc=0.88 V, Jsc = 11.58 mA cm?2, FF = 0.57）。這些結果表明擴大端基的共軛骨架能夠簡單有效地調節受體分子的聚集行為，同時增強了端基間的π–π作用，促進分子間的電荷傳輸，提高光伏性能。

圖2. (a)電流-電壓曲線圖；(b)外量子效率曲線圖。

  近日，該成果以“Enhance the performance of polymer solar cells via extension of the flankingend groups of fused ring acceptors”為題，在線發表于Science China Chemistry (DOI:10.1007/s11426-018-9252-9)。

  論文鏈接：http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-018-9252-9?slug=full%20text