【Angew.Chem.】调控酯键烷基链长构筑核-翼型杂化二聚受体，有机太阳能电池效率突破20.25%#

文章标题：Core-to-Wing Type Hybrid Dimeric Giant Molecule Acceptors With Different-Length Ester-Linked Alkyl Chains Enable 20.25% Efficiency Organic Solar Cells

通讯作者：Chao Li, He Yan, Bo Song, Xiaojun Li, Yongfang Li

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.5779751

文章概要#

引言#

有机太阳能电池（OSCs）作为极具前景的新一代光伏技术，近年来因窄带隙小分子受体（SMAs）的发展而取得了长足进步。然而，传统小分子受体较小的分子量常导致其形貌不稳和热稳定性差，而高分子受体虽然形貌稳定，却存在批次差异性大的问题。为攻克这一瓶颈，巨分子受体（GMAs） 作为一种新兴材料应运而生，它集成了明确的分子结构与优异的形貌稳定性。尽管基于苯并噻唑（BT）或苯并三唑（BZ）核心的二聚体受体备受关注，但现有体系多由两个相同的单体构筑，限制了结构多样性。为此，本研究创新性地提出了一种核-翼型（core-to-wing）杂化策略，通过柔性酯键烷基链将不同的受体单元有机结合，为构筑高性能有机太阳能电池开辟了新途径。

(a) Chemical structures of the GMAs and the corresponding monomers. Normalized absorption spectra of the GMAs and the representative monomers (b) neat films (F) and (c) in dilute chloroform solutions (S). (d) Schematic energy level diagram of the GMAs in solid states.#

主要实验及结论#

研究团队通过酯水解与再酯化策略，成功合成了三种不同酯键烷基链长的杂化巨分子受体（BTZ-2-2、BTZ-2-6和BTZ-2-10）。理化性质测试表明，得益于最佳的链长，BTZ-2-6在纯膜下展现出最宽且最红移的互补吸收光谱，光学带隙为1.36 eV，且具备更低的LUMO能级。理论计算与测试证实，适中的链长平衡了分子刚柔性并减少了位阻，使其拥有更紧密的π-π堆积，从而实现了三者中最高的纯膜电子迁移率，为高效电荷分离和输运奠定了基础。

(a) J−V curves of the optimized OSCs under illumination of AM1.5G, 100 mW cm−2, and the corresponding (b) EQE curves. (c) The charge carrier mobility of three GMAs-based devices. (d) Normalized transient photocurrent (TPC) of the GMAs -based devices in response to a 100 µs white-light (LED) pulse for light intensity of 100 mA cm−2. (e) Bimolecular recombination rate constant (_k_rec) of the corresponding OSCs. (f) _J_SC dependence on the light intensity of the corresponding devices.#

TABLE 2. Photovoltaic performance parameters of the GMA-based OSCs, under the illumination of AM1.5G, 100 mW cm−2.#

Active layers	_V_OC(V)c	_J_SC (mA cm−2)c	FF (%)c	PCE (%)c	_J_SC.cal (mA cm−2)d
PM6a(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.5779751?af=R#anie73271-tbl2-note-0001_40 “Link to note”)	0.876 (0.873 ± 0.003)	25.94 (25.66 ± 0.28)	68.47 (67.65 ± 0.82)	15.56 (15.28 ± 0.28)	25.01
PM6a(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.5779751?af=R#anie73271-tbl2-note-0001_41 “Link to note”)	0.853 (0.852 ± 0.001)	27.89 (27.70 ± 0.19)	77.87 (77.32 ± 0.55)	18.53 (18.34 ± 0.19)	26.91
PM6a(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.5779751?af=R#anie73271-tbl2-note-0001_42 “Link to note”)	0.864 (0.862 ± 0.002)	26.65 (26.43 ± 0.22)	76.62 (75.99 ± 0.63)	17.64 (17.39 ± 0.25)	25.72
D18b(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.5779751?af=R#anie73271-tbl2-note-0004_43 “Link to note”)	0.868 (0.866 ± 0.002)	28.05 (27.80 ± 0.25)	79.71 (79.12 ± 0.59)	19.41 (19.19 ± 0.22)	27.07

Femtosecond transient absorption spectra of (a) PM6, (b) PM6, and (c) PM6 blend films at selected time delays. (d) Kinetic traces probing at 988 nm of the GMAs-based blend films.#

在光伏器件中，基于PM6的二元器件实现了18.53%的光电转换效率，显著优于其他两者。这得益于其高效的激子解离以及优化的纳米纤维相分离形貌；换用D18给体后，二元效率进一步提升至19.41%。令人振奋的是，将BTZ-2-6作为第三组分引入PM6体系中，三元器件成功实现了20.25%的杰出效率。此外，该器件展现出卓越的光稳定性，在持续光照720小时后仍能维持初始效率的近90%，稳定性大幅超越其构筑单体。

AFM phase images (2 × 2 µm2) (a–c) and TEM images (scale bar of 200 nm) (d–f) of the blend films based on (a,d) PM6; (b,e) PM6, and (c,f) PM6.#

(a) J−V curves of the binary and ternary system OSCs under illumination of AM1.5G, 100 mW cm−2, and the corresponding (b) EQE curves. Comparison of the photostability among devices based on c) PM6; d) PM6, PM6, and PM6 active layers, which were measured under 1 sun illumination in the nitrogen glovebox at room temperature.#

总结及展望#

本研究成功证明了通过调控柔性酯键烷基链长来构筑核-翼型杂化二聚巨分子受体的高效性与可行性。该策略不仅有效融合了不同单体的光谱优势、优化了薄膜堆积与相分离形貌，更在保持分子结构明确的同时，攻克了传统小分子受体形貌不稳定的软肋。这一新颖的分子设计不仅刷新了巨分子受体光伏器件的效率纪录，也为未来开发高效率、高稳定性的工业化有机太阳能电池提供了极具价值的指导方向，有望加速有机太阳能电池从实验室走向商业化应用的进程。