中科院侯剑辉团队卤素取代对非富勒烯受体光伏性能的调控

本研究由中科院化研所侯剑辉团队设计并合成了四种非富勒烯受体（NFA）材料：ITC9-4F、ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I，通过在末端基团引入不同卤素取代基。研究了这些NFA在有机太阳能电池（OSCs）中的光伏性质。计算结果显示材料表面静电势相似，但原子半径随卤素变化。光电性能分析表明卤素取代基影响吸收光谱和分子能级。ITC9-4F表现出蓝移吸收光谱和较低消光系数。在OSCs中，ITC9-4F基电池显示高开路电压（Voc）但较低功率转换效率（PCE）。ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I基OSCs显示相近PCE，Voc逐渐增加，填充因子减小。4F到4I基电池中，陷阱辅助复合加剧，能量损失减少。这些发现突显了卤素NFA在OSCs中的潜力。OSCs因其轻质、灵活和简易加工等优势备受关注。近年来，随着非富勒烯受体（NFAs）的发展，OSCs的功率转换效率显着提高，超过20%。NFAs作为OSCs电子受体具有可调吸收光谱、分子能级和排列等优势。其中，NFAs端基卤素化被证明是改善光伏特性的有效方法。在受体-给体-受体（A-D-A）结构的NFA分子中，端基卤素化具有多重作用：增强电子亲和力，促进分子内电荷转移，降低带隙；加强分子间相互作用，改善结晶性和载流子迁移；增加偶极矩变化，降低激子结合能，实现高效激子解离。不同卤素从氟到碘，电负性降低，原子半径增大。氟和氯可避免立体位阻，溴和碘则易于极化，加强分子间相互作用，优化电荷传输。然而，关于溴和碘原子引入NFAs端基的研究仍不充分。本研究DOI:10.1039/D4QM00648H研究程序要点归纳在研究过程中，各种实验手法的重要性取决于它们在理解和评估非富勒烯受体（NFAs）在光伏应用中的溴化效应所扮演的角色。以下是根据论文及补充资料统整后，对研究过程中使用的手法依其重要性进行的排序：1.    合成与纯化：这是研究的基础，因为没有合成的材料就无法进行后续的表征和测试。研究人员设计并合成了四种非富勒烯受体（NFA）材料，分别是ITC9-4F、ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I。这些材料的设计是为了研究不同卤素取代基对光电特性的直接影响。2.    光伏特性测试：理解材料的化学和物理性质对于评估其在光伏应用中的性能至关重要。系统地研究这些NFA的光伏特性，包括包括开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率转换效率（PCE）为评估材料性能的关键。3.    装置制造：这是将材料转化为实际应用的关键步骤。文档中描述了聚合物太阳能电池的制作过程，包括ITO玻璃的清洁、PEDOT层的旋涂、活性层的制备和热处理、PDINN层的旋涂和Ag层的蒸发。4.    装置表征与测量：这一步骤用于评估太阳能电池的性能，包括J-V测量、EQE测试、photo-CELIV测量、敏感EQE测量、EL量子效率测量和电子迁移率的测量。                          中科院化研所安装光焱科技QE-R光伏 / 太阳能电池量子效率测量解决方案5.    DFT计算：理论计算提供了对材料电子结构和性质的深入理解。文檔中提到了使用Gaussian 09进行DFT计算的分子几何优化方法。上述记载于研究论文中的手法，对于研究非富勒烯受体在光伏应用中的溴化效应都是必要的，并且它们的重要性是相互依赖的。卤代A-D-A型NFAs 新型光伏材料的有效策略近期研究表明，溴取代NFAs可能表现出与氟和氯相似或更优的光伏性能。例如，Self-assembled interlayer enables high-performance organic photovoltaics with power conversion efficiency exceeding 20% 研究显示卤素化NFAs结晶性随原子量增加而增强，提高OSCs电荷传输和PCE。或是提出溴化NFA表现出高度有序堆叠和更高电荷迁移率。该研究团队报道的四碘取代NFA（BO-4I）因碘原子特性获得显着激子扩散长度，降低OSCs非辐射能量损失。研究人员将取代为4F-、4Cl-、4Br-和4I-的电子受体，即ITC9-4F、ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I，进行设计并合成。这四种新型非全芳烃（NFAs）在有机太阳能电池中的应用基础上，其光伏特性已经得到系统地研究。结果显示，氟原子的最小原子半径限制了ITC9-4F中π-电子的电子共轭作用，导致其轻微的蓝移吸收谱、较低的吸收系数和与其他卤素取代基相比明显不同的光伏特性。除此之外，基于四个有机太阳能电池的再结合机制分析表明，陷阱辅助再结合变得越来越严重，而能量损失呈逐渐减少的趋势在4F-、4Cl-、4Br-和4I-基礍的电池中表示。因此，基于ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I的有机太阳能电池分别展现出14.6%、14.1%和14.6%的可比转换效率（PCE），并且逐渐提高的开路电压（VOC）和降低的填充因子（FF）值。这些结果证明了卤代A-D-A型NFAs在有机太阳能电池应用中的可行性，并突显其作为设计新型光伏材料的有效策略。文献参考自Materials Chemistry Frontiers 6 Sep._DOI:10.1039/D4QM00648H本文章为Enlitech光焱科技改写 用于科研学术分享 如有任何侵权  请来信告知