Fluolab【JACS】19.08%的PCE和80.09%的FF，CF3-功能化侧链在有效提升有机太阳能电池的效率
总结
研究开发了一种新型CF3-功能化侧链的非富勒烯受体（NFA），通过引入不同长度的CF3-端基侧链，显著增强了光伏性能。特别是，基于CF3-(CH2)2的有机太阳能电池（OSC）实现了19.08%的光电转换效率（PCE）和80.09%的填充因子（FF）。
摘要
本研究提出了一种新型的非富勒烯受体（NFA）设计，通过引入CF3-端基侧链（CF3-(CH2)n，n=1, 2, 3），实现了显著的光伏性能提升。通过系统的光学、光伏、电化学、热学和晶体学研究，发现CF3-端基侧链引入了新的分子间相互作用，显著增强了电荷迁移率和光伏性能。单晶衍射分析揭示了独特的二维网状晶体结构，CF3-端基与NFA核心F取代基之间的强相互作用显著提高了电荷迁移率。特别是，CF3-(CH2)2基OSC表现出最平衡的性能指标，实现了19.08%的PCE和80.09%的FF。这些结果表明，将CF3-端基侧链引入其他OSC共轭组分中可能会加速下一代太阳能电池的发展。
研究结果分类展示
合成与表征
- 合成方法：通过Mitsunobu反应合成CF3-侧链取代的BTA化合物，随后通过Stille交叉偶联和Cadogan环化反应合成最终的YnCF3产品。
- 表征方法：利用1H-/13C-/19F NMR光谱和MALDI-TOF质谱确认化合物的化学纯度和身份。
光物理性质
- 吸收光谱：YnCF3在溶液和薄膜中的最大吸收波长分别为744-751 nm和827-839 nm，吸收系数为1.45×10^5至1.53×10^5 M^-1 cm^-1。
- 电子能级：通过循环伏安法测定，YnCF3的HOMO/LUMO能级分别为-5.66/-4.00 eV（Y1CF3）、-5.64/-4.00 eV（Y2CF3）和-5.63/-4.00 eV（Y3CF3）。
晶体结构
- 晶体密度：YnCF3晶体密度高于Y6，范围为1.128至1.256 mg/mm^3。
- 晶体结构：单晶衍射分析显示，YnCF3晶体具有二维网状结构，CF3-端基与芳基-F原子之间的电荷相互作用显著增强了分子聚集。
光伏性能
光电转换效率（PCE）：Y2CF3基OSC实现了19.08%的最高PCE，V_OC为0.862 V，J_SC为27.64 mA cm^-2，FF为80.09%。
稳定性：YnCF3基OSC在200小时最大功率点条件下保持了88.7%至90.7%的初始PCE，表现出优异的操作和热稳定性。
这项研究展示了CF3-功能化侧链在提升有机太阳能电池效率中的巨大潜力，为未来的太阳能电池材料设计提供了新的思路和方法。详细信息可以在这里找到。