稠環電子受體分子設計中的蝴蝶效應

顏河

香港科技大學化學系，香港九龍清水灣

起始原料與稠環電子受體的分子結構及器件性能。

有機太陽能電池具有成本低、半透明、可印刷制備大面積柔性器件等優勢，是一種極具發展前景的光伏技術1。2015年，占肖衛課題組創建了以明星分子3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:2',3'-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene(ITIC)2為代表的稠環電子受體這一新穎受體體系，突破了有機太陽能電池在受體材料上所受到的瓶頸制約，推動有機光伏器件的能量轉換效率迅速提升至18%以上3–5，引領有機光伏領域邁向非富勒烯時代。稠環電子受體的分子設計通常采用“自上而下”的策略，即強調最終目標產物的分子結構而忽略了起始原料與合成過程的影響6–8。然而，起始原料的細微變化往往會對設計的分子結構、材料的固有屬性以及器件的光伏性能產生巨大的連鎖影響。

近日，北京大學占肖衛課題組與華南理工大學解增旗課題組、東華大學唐正課題組、蘇州大學張茂杰課題組、美國麻省大學Thomas P. Russell課題組合作，揭示了起始原料的細微差異引發的“蝴蝶效應”，提出了稠環電子受體“自下而上”的分子設計策略。相關工作發表在Journal of the American Chemical Society上9。

在該工作中，他們以萘環和不同位點的甲氧基修飾的萘環作為起始原料，設計并合成了八并稠環電子受體NOIC系列分子。其中，NOIC是無甲氧基修飾的對比分子，NOIC1和NOIC2是不同甲氧基取代位點的同分異構體，NOIC2和NOIC3是經由不同合成路線所得的同源物，NOIC3和NOIC4是不同碳氧橋關環位點的同分異構體。該系列分子具有相同的側鏈(4-己基苯基)和端基(5,6-二氟-3-(二氰基亞甲基)茚酮)以及相似的萘基八并稠核，卻表現出顯著不同的單晶結構、吸收光譜、能級結構和電子遷移率。之后，他們將NOIC系列受體材料與常用的聚合物給體材料poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)-4-fluorothiophen-2-yl)-benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene))-alt-(5,5-(1',3'-bis(thiophen-2-yl)-5',7'-bis(2-ethylhexyl)benzo[1',2'-c:4',5'-c']dithiophene-4,8-dione))])(PM6)共混，制備了單結兩組分有機太陽能電池器件。由于迥異的本征性質、共混膜形貌和器件電壓損失，基于NOIC系列受體材料的器件能量轉換效率差異巨大(7.15%–14.1%)。其中，NOIC2的光伏性能最優，器件的能量轉換效率超過14%。

該工作揭示了起始原料中不同甲氧基修飾位點引發的“蝴蝶效應”對稠環電子受體性能的影響。一方面，稠核上進行甲氧基取代有利于獲得紅移的吸收、更高的結晶性和遷移率、更低的電壓損失，從而獲得更高的器件性能；而碳氧橋取代碳橋的策略則起到了負面效果。另一方面，甲氧基取代位點和碳氧橋關環位點均對材料的堆積、吸收、能級、電子遷移率、共混膜形貌和器件性能產生顯著影響。

由此可見，“自下而上”的分子設計策略有助于綜合考慮“蝴蝶效應”的影響，對高性能非富勒烯受體材料的理性設計具有重要的指導意義，從而有利于進一步推動有機光伏領域的發展。