近日，生物与化学工程学院周二军团队在有机太阳能电池方向取得重要研究进展。相关研究成果以“Modulation of Molecular Quadrupole Moments by Phenyl Side-Chain Fluorination for High-Voltage and High-Performance Organic Solar Cells”为题，在化学类顶级期刊《J. Am. Chem. Soc.》上发表。
这是我校首次以第一通讯作者单位在该顶级期刊发表论文，论文第一作者为嘉兴大学/国家纳米科学中心联合培养博士研究生戴婷婷，通讯作者为周二军研究员。
有机太阳能电池（OSC）中，光激发产生的激子向光电流转变过程中的一系列动力学行为极大的影响着器件的性能。得益于光生激子解离的光物理机制的深入研究，OSC已被推向一个新的高度，其能量转换效率（PCE）超过了20%。然而，事实上，暗态下活性层中的基态电荷产生（GSCG）决定了光生激子是否占据深陷阱态能级，而这又会对光生激子后续的动力学过程，如扩散、解离、传输和重组等行为产生复杂的影响，并最终反馈到OSC的性能上。因此，如何抑制深陷阱态的产生或减少光生激子在深陷阱态上的占据布居数对OSC器件性能尤为重要。
在这项工作中，通过引入一种氟取代策略，在微观层面上优化分子四极矩，以实现基态电荷的产生，从而进一步深入探析其对OSC性能的影响。在经典的小分子BTA3的中心核IDT苯基侧链上进行8F取代和16F取代设计并合成了两种新型非富勒烯受体（NFAs），BTA3-8F和BTA3-16F（图2），然后再将其与BTA3和4F取代的BTA3-4F进行了全面而系统的比较研究。
图2.（a）文中小分子受体（NFAs）的化学结构式。（b）NFAs在四氢呋喃（THF）溶液和薄膜中的归一化紫外-可见吸收光谱。（c）NFAs相对聚集强度随THF溶液温度的变化曲线。（d）纯NFAs膜及其共混膜的Stokes位移。（e）4个NFAs的IP、EA和Eg值。（f） NFAs的能级图。（g）单分子激发态的电子-空穴质心距离（左）和库仑吸引能（右）。（h）四个分子沿π−π堆叠方向的平均静电势（左）和四极矩值（Qπ）（右）。
研究结果表明，侧链苯基氟原子取代数量的增加会显著增加分子的四极矩，有利于增强电荷-四极静电相互作用，并进一步促进相邻分子间的紧密堆积和激子离域。此外，F原子取代数量的增加也进一步增强了A/A和D/A分子间的非共价键相互作用。这些共同促进了BHJ各组分之间的基态电荷产生。重要的是，PTQ10:BTA3-16F体系高效的基态电荷产生降低了体系的陷阱态密度，从而进一步促进了光生激子的解离，并延长了光生极化子的寿命（图3），抑制了光生电荷的复合。
最终，基于PTQ10:BTA3-16F的器件实现了高效的光电流产生并抑制了非辐射复合损失（ΔE3 = 0.178 eV），获得了1.302 V的超高VOC和11.14%的世界记录PCE。此外，得益于BTA3-16F优异的电荷四极静电相互作用，基于PM6:L8-BO:BTA3-16F的三元器件实现了19.82%的PCE和80.99%的FF。
图3.（a）在660 nm处激发的四种共混膜的瞬态吸收图。（b）四种共混膜分别在680 nm和1130 nm的极化子（电荷）和局域激子（激子）信号的动力学。
这项研究结果表明，非富勒烯受体结构的精准设计可以实现增强的电荷-四极静电相互作用，以获得理想分子堆积和混合薄膜形态的同时，还能进一步促进基态电荷产生并降低陷阱态密度，从而改善光生激子的解离和自由电荷传输效率。这不仅为OSC的高效电荷产生提供了多角度的机理探析，且为未来OSC效率进入新进程的新型材料设计提供了进一步理论指导依据。
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c17140?articleRef=test
