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  A-D-A型（尤其是ITIC系列）小分子受體材料由于設(shè)計(jì)合成簡(jiǎn)單，在可見光甚至是近紅外區(qū)域有較強(qiáng)吸收，且能級(jí)易于調(diào)控，因而近年來取得了突破性的進(jìn)展，單節(jié)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率目前已經(jīng)突破15%，越來越接近產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。而具有近紅外吸收的受體材料在與給體共混以后，由于其具有非常寬的光響應(yīng)范圍，因而更容易得到高的短路電流。同時(shí)由于其吸收主要位于近紅外區(qū)域，對(duì)可見光的吸收較弱，可用來制備半透明太陽能電池器件。A-D-A型小分子材料很容易通過分子的結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)近紅外吸收，例如增強(qiáng)中間富電子核的給電子能力，或者提升缺電子端基的吸電子能力，都能夠有效的降低分子的帶隙。

  南方科技大學(xué)化學(xué)系何鳳副教授團(tuán)隊(duì)分別以十元環(huán)和十二元環(huán)為核，氯代的IC為端基，設(shè)計(jì)合成了兩個(gè)小分子受體材料R10-4Cl和R12-4Cl（圖1）。增加中間核的共軛長(zhǎng)度可以有效的增強(qiáng)其給電子能力，同時(shí)大的共軛平面也有利于增強(qiáng)分子間的相互作用。而我們前期的研究工作表明，端基引入氯原子可以大幅提升其吸電子能力，進(jìn)而降低分子的能級(jí)和帶隙，同時(shí)氯原子的引入也有利于提升分子間的相互作用，進(jìn)而提高分子堆積的有序度。（ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 39992-40000.）。

圖1. R10-4Cl和R12-4Cl的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

  由于顯著增強(qiáng)的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)，R10-4Cl和R12-4Cl具有非常高的吸光系數(shù)以及窄的帶隙（1.44 和1.31 eV），吸收邊帶也分別達(dá)到866和917 nm。從R10-4Cl的單晶結(jié)構(gòu)可以看出，由于較大的位阻作用，相鄰分子的核之間沒有明顯的π-π作用，而相鄰的綠色分子端基之間則大部分重疊且完全平行（圖2c），π-π距離僅為3.32 Å，這非常有利于電子的傳輸。而藍(lán)色的分子位于兩個(gè)綠色分子之間，且藍(lán)色分子之間完全沒有相互作用。藍(lán)色分子的氧原子與綠色分子的硫原子之間的距離僅為3.15 Å，小于兩個(gè)原子的范德華半徑之和，表明有非常強(qiáng)的S···O相互作用。兩種不同排列方式的分子構(gòu)成了一個(gè)Z型相互貫穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得電子能夠沿著多個(gè)方向進(jìn)行傳輸，進(jìn)而有利于提升電子遷移率。

圖2. R10-4Cl的晶體堆積結(jié)構(gòu)

  與聚合物PBDB-T共混以后，由于R10-4Cl能夠形成高度有序的堆積結(jié)構(gòu)，因此其共混薄膜具有更好的相分離形貌，且同時(shí)具有高的電子和空穴遷移率。以聚合物PBDB-T為給體，R10-4Cl為受體制備的非富勒烯有機(jī)太陽能電池器件的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.7%，其中，開路電壓為0.85 V，短路電流為18.9 mA cm-2，填充因子為66.6%。盡管基于R12-4Cl的共混薄膜具有更寬的光響應(yīng)范圍，但是由于薄膜的相分離尺度過大，不利于電荷的有效分離，因而基于R12-4Cl的的器件性能僅為9.3%（圖3a和3b）。以上結(jié)果表明，增加小分子的共軛長(zhǎng)度是一種非常有效的制備高性能非富勒烯小分子受體材料的方法，同時(shí)引入氯原子后能夠進(jìn)一步增強(qiáng)分子間的相互作用，有利于電荷的快速轉(zhuǎn)移，進(jìn)而提升器件性能。

圖3. R10-4Cl和R12-4Cl分別與聚合物PBDB-T共混制備器件的（a）J-V曲線和（b）EQE曲線

  以上成果發(fā)表在Chemistry of Materials (Chem. Mater. DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b05047)上。該工作的第一作者為南方科技大學(xué)化學(xué)系曲建飛助理教授，通訊作者為南方科技大學(xué)化學(xué)系何鳳副教授，共同通訊作者為華南理工大學(xué)解增旗教授和美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室陳偉教授。

  該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中組部“青年千人計(jì)劃”、南科大科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、深圳市諾貝爾獎(jiǎng)科學(xué)家實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目以及深圳市科創(chuàng)委研究項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)的支持。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.chemmater.8b05047