北理工團隊在硒取代有機太陽能電池受體材料方面取得重要進展
發布日期：2024-01-30 供稿：化學與化工學院 攝影：化學與化工學院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數：
近期，北京理工大學化學與化工學院王金亮教授團隊在新型硒取代位置異構化的小分子受體材料創制及其在高性能有機太陽能電池器件化應用方面取得重要進展。相關成果以“Optimized Crystal Framework by Asymmetric Core Isomerization in Selenium-Substituted Acceptor for Efficient Binary Organic Solar Cells”為題，發表在化學領域國際頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》(2023, 62, e202313016)上。北京理工大學化學與化工學院王金亮教授、安橋石特別研究員、國家納米中心魏志祥研究員和鄧丹研究員為共同通訊作者，北京理工大學為第一通訊單位，化學與化工學院博士研究生楊燦為該論文的第一作者。
面對全球能源危機和環境污染問題，為加快實現國家提出的“雙碳”目標，一場針對新型清潔能源開發與利用的革命正在緊鑼密鼓地孕育當中。有機太陽能電池（OSCs）因其自身具有良好的溶液加工性、機械柔性、透明、質輕、易于卷對卷印刷和規模化制備等特性而備受關注，并在柔性可穿戴電子器件、室內光伏和建筑集成一體化領域展現出了巨大的商業應用潛力。其中開發新型小分子受體（SMAs）材料是獲得高性能OSCs的最有效途徑之一。從分子工程設計的角度來看，SMAs性能優化可以通過有效的調控分子的給電子中心核、缺電子端基和烷基側鏈等策略來實現。其中含硒芳香雜環的引入是一種有效的分子設計策略，可以協同優化小分子的光電特性并在各種類型的OSCs中提高器件性能。然而，與許多含硫雜環的受體相比，硒取代的SMAs的系統研究相對匱乏。同時，如何利用分子工程來精確調節硒取代受體材料的電子結構和晶體堆積，進而優化薄膜形態，實現器件性能參數之間的最佳平衡點，發展性能優異的受體材料，是目前有機太陽能電池領域亟待解決的關鍵科學問題之一。
圖1. 三個硒取代異構受體的分子結構、晶體堆積、器件效率及其設計策略
針對上述的關鍵科學問題，王金亮教授團隊在前期重原子取代的有機小分子太陽能電池材料的創制及其在高性能有機太陽能電池中的應用研究工作(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19241, ESI高被引論文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202216340; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209454; Energy Environ. Sci., 2022, 15, 320; ACS Energy Lett., 2018, 3, 2967等)的基礎上，為了實現更加性能優異的硒取代小分子受體材料體系，最近通過運用一種核心單硒取代類型和位置（中心位置、內側位置和最外側位置）的區域異構化策略，設計合成了一系列單硒取代的新型異構化小分子受體材料（S- C SeF、A- I SeF和A- O SeF），其具有相同的缺電子端基和烷基側鏈基團，但具有三個不同硒原子取代環境的異構化的中心核（DA’’D、D2A’D和D1A’D）。系統地探討了三種（對稱/不對稱）區域異構體的光電行為、分子間堆積的單晶結構、與新型聚合物給體PM1的共混形態以及對相應OSCs的光伏性能和能量損失的影響。
圖2. 三個硒取代異構受體材料的晶體堆積圖
單晶堆積圖顯示，相比于S- C SeF和A- I SeF，基于最外側硒取代核心的不對稱A- O SeF由于額外的分子內Se-O和分子間F-Se非共價作用的存在，呈現出了平面性更強的分子骨架、更緊密更有序的3D網絡堆積，促進了更高效的電子傳輸通道的形成。從S- C SeF到A- I SeF, 再到A- O SeF，隨著單硒原子取代位置的外移，相應純膜的光學帶隙逐漸變寬、結晶性逐漸增強、電子遷移率逐漸增大。將其分別和商品化聚合物給體PM1共混后，基于A- O SeF的二元電池光電能量轉換效率高達18.5%，明顯高于基于A- I SeF（17.6%）和S- C SeF（16.3%）的器件結果。其性能的提升主要歸因于A- O SeF抬升的LUMO能級以及最優的納米纖維共混形貌和分子堆積，進而促進了更有效的激子產生和收集以及顯著抑制了能量損失。值得一提的是，18.5%的光電能量轉換效率是報道時基于硒取代小分子受體二元本體異質結型有機太陽能電池的效率記錄值。綜上，這項系統性的工作不僅證明了SMAs中硒取代位置和硒雜芳環類型的調控在優化晶體堆積行為和促進硒取代受體高效率和低能量損失平衡中的協同作用和重要性，而且對未來發展高性能的SMAs的協同設計原則提供了新的見解。
圖3. 三個硒取代受體材料的有機太陽能電池器件性能對比
上述研究工作得到了國家自然科學基金項目、國家海外高層次青年人才項目、北京理工大學特立青年學者計劃、北京理工大學研究生科研水平和創新能力提升專項計劃等項目以及北京市光電轉換材料重點實驗室和北京理工大學分析測試中心的支持。韓國高麗大學的Han Young Woo教授、北京工商大學李熊教授團隊、中科院化學所朱曉張研究員團隊給予了大力支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202313016
附作者簡介：
王金亮，化學與化工學院教授、博士生導師。2008年博士畢業于北京大學化學與分子工程學院，2013年入選國家海外高層次青年人才計劃，2021年成為中國化學會高級會員。主要從事有機與高分子光電能量轉換材料創制及其在高性能有機太陽能電池中的應用研究。至今在J. Am. Chem. Soc.等國際高水平學術期刊上發表SCI論文100余篇，總被引用7000余次。2016年被評為北理工優秀碩士學位論文指導教師，2021年被評為北京市優秀本科畢業論文指導教師。目前擔任《SusMat》《Battery Energy》和《EcoEnergy》青年編委和北理工英文學報編委。
安橋石，北京理工大學化學與化工學院特別研究員、博士生導師。2020年4月加入北京理工大學化學與化工學院，主要從事有機光電子材料與器件方面的工作。迄今以第一/通訊作者身份在Energy Environ. Sci.; Angew. Chem., Int. Ed.; ACS Energy Lett.等國際高水平期刊上發表SCI論文40余篇，論文共計被引7000余次，主持國家自然科學基金等項目，入選科睿唯安全球高被引科學家。
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