利用非共價構象鎖定設計小分子受體材料

莊林

武漢大學化學與分子科學學院，武漢 430072

電子受體分子結構及太陽能電池電流密度-電壓(J-V)曲線

聚合物太陽能電池(PSC)具有質輕，成本低，可通過溶液加工的方法大面積制備柔性器件等優點，受到廣泛關注1-3。目前，體異質結(BHJ)結構的PSC主要采用共軛高分子給體材料和受體材料共混制備光電活性層。2015年，占肖衛課題組首先報道了一類非富勒烯的高效率的稠環電子受體(FREAs)4,5。這類受體具有化學結構易修飾，能級易調控以及跟給體聚合物吸收互補等顯著優點，受到研究者們的青睞。近3年來，基于FREAs構建的電池的效率不斷被刷新，目前已經超過14%6,7。

FREAs通常采用受體-給體-受體(A-D-A)型結構，受體材料的分子能級和吸收光譜主要通過對給體單元，受體單元以及給受體單元二者之間的聯結方式的有效調控來實現。

北京師范大學薄志山、李翠紅等人，在前期工作中，提出通過分子內的非共價作用設計受體材料可以簡單有效地擴大受體分子的共軛長度，拓寬吸收光譜，增強電子傳輸，從而極大地提高了器件的光伏性能8。運用這種策略，他們合成了一種新的A-D-A型受體材料(ITOIC-2Cl)，在給體單元和受體單元間引入3,4-二己氧基噻吩作橋。受體分子在溶液中具有較大的溶解度，而在薄膜中可以通過 S···O 和 O···H 等弱相互作用在分子內形成非共價鍵構象鎖促進分子的平面性。此外，他們在端基上修飾成本低的Cl原子，通過增加端基的缺電子性增強分子內的電荷轉移9。在兩者的協同作用下，ITOIC-2Cl的光譜吸收拓寬到近紅外區，有利于獲得寬的光譜響應。基于該受體材料的PSC，實現了9.37%的光電轉換效率，其開路電壓(Voc)為 0.886 V，短路電流(Jsc)為 17.09 mA·cm-2，填充因子(FF)為 61.8%。以上實驗結果已在物理化學學報上在線發表(doi:10.3866/PKU.WHXB201805161)10，該工作為我們提供了一種設計高效率的非富勒烯稠環電子受體的簡單有效的策略。