西安科技大学杜慧玲&宿文燕等：氟/溴/硒多杂原子取代的双不对称电子受体助力邻二甲苯加工有机太阳能电池光电转换效率达到19.12%

文摘科学 2024-11-27 09:05 北京

开发高性能的近红外吸收电子受体是实现高短路电流密度并提高有机太阳能电池（OSCs）光电转换效率（PCEs）的重要方法。

近日，西安科技大学杜慧玲教授、宿文燕副教授、西安交通大学凡群平教授和香港理工大学马睿杰博士等人在Science China Materials发表研究论文，通过结合双不对称硒稠核和氟、溴杂原子取代端基优势，开发了三种新型多杂原子取代的Y系列受体材料（bi-asy-Y-br、bi-asy-Y-FBr与bi-asy-Y-FBrF）。

本文要点

1) 随着氟化程度的逐渐增加，三种受体的吸收光谱逐步红移。其中，bi-asy-Y-FBrF具有最大的平均静电势分布和最小的分子偶极矩，有利于分子内电荷传输。此外，与D18:bi-asy-Y-Br和D18:bi-asy-Y-FBr共混膜相比，D18:bi-asy-Y-FBrF活性层具有更高的结晶度、更合适的相分离尺度和更低的电荷复合。

2) 在二元OSCs中，D18:bi-asy-Y-FBrF器件凭借较高的短路电流密度(26.28 mA cm⁻²)，获得了15.74%的PCE值；D18:bi-asy-Y-Br器件凭借优异的开路电压(0.926 V)，也获得了15.04%的PCE值。

3) 受bi-asy-Y-Br开路电压高、与近红外受体BTP-eC9吸收光谱更互补的启发，本文制备了D18:BTP-eC9:bi-asy-Y-Br三元OSCs并获得了19.12%的PCE值，达到目前报道的绿色溶剂加工型OSCs的最高效率范围。

本文将收录于“2025 Emerging Investigator Issue”。

Figure 1. (a) Molecular structures, (b) ESP distributions, and (c) related average ESP statistics of each atom of three new Y-SMAs. (d) Absorption coefficients, and (e) energy levels of active layer materials.

Figure 2. (a) J-V curves and (b) EQE spectra of binary OSCs. (c) J-V curves and (d) EQE spectra of ternary OSCs. (e) Plots of PCE versus J_SC for green‑solvent processed OSCs in literature and this work. (f) J_ph-V_eff curves, (g) TPV decay kinetics, (h) TPC decay kinetics, and (i) photo-CELIV curves of binary OSCs.

Figure 3. (a) 2D GIWAXS diffraction patterns of blend films. Line-cut profiles of GIWAXS images from (b) related neat films and (c) blends. (d) AFM height images and (e) AFM phase images of blends.

Figure 4. (a, d, and g) FLAS images of blends. For clarity, the spectra were re-aligned along absorption-axis. (b, e, and h) Film-depth-dependent component distributions of donor and acceptor components in blends. (c, f, and i) Exciton generation contours as numerically simulated from the FLAS.

文章信息

Yibo Zhou, Guangyu Qi, Han Liu, Hairui Bai, Tengfei Li, Muhammad Hamza Maqsood, Chang Liu, Bohao Song, Na Chen, Guanghao Lu, Chao Gao, Yuhang Liu, Wenyan Su, Huiling Du, Ruijie Ma, Wei Ma, Qunping Fan. Fluorine/bromine/selenium multi-heteroatoms substituted dual-asymmetric electron acceptors for o-xylene processed organic solar cells with 19.12% efficiency. Sci. China Mater. (2024).

https://doi.org/10.1007/s40843-024-3167-7

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