华南理工黄飞团队Angew：非富勒烯受体的聚氟烷基实现自分层的有机太阳能电池

导语：高性能有机太阳能电池（OSCs）需要光活性层分子具有宽吸收光谱、有效的电荷分离和传输以及光载流子的收集。非富勒烯小分子受体（NFSMAs），如ITIC和Y6等一系列分子，由于其强而宽的近红外光吸收，大大提高了OSCs的功率转换效率（PCE）。

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1.前言回顾

高性能有机太阳能电池（OSCs）需要光活性层分子具有宽吸收光谱、有效的电荷分离和传输以及光载流子的收集。非富勒烯小分子受体（NFSMAs），如ITIC和Y6等一系列分子，由于其强而宽的近红外光吸收，大大提高了OSCs的功率转换效率（PCE）。众所周知，基于NFSMAs的OSCs中的激子离解、电荷传输和复合与活性层的纳米级形貌密切相关。目前研究人员已经做出了许多努力来适当地调节活性层形态，从而进一步增加PCE。

将氟化烷基链引入有机分子在药物、农用化学品和材料领域具有广泛的应用，因为这些部分能够深刻影响分子特征，例如增加空间位阻、电负性以及降低表面能。此外，研究表明，烷基链氟化不仅能够显著影响能级和分子堆积行为，而且还能影响共轭分子的表面能。由此推测，在Y系列NFSMAs中加入多氟烷基链可能会对分子特性产生很大影响。另一方面，由于含氟化烷基的NFSMAs的低表面能，适当地控制含氟化烷基受体的垂直分布以产生理想的本体异质结（BHJ）形态以及与顶部电极相邻的富含受体的薄层仍然具有挑战性。

图1.分子结构、共混物形态、能级排布与吸收光谱

2.文献简介

基于此，近日，华南理工大学黄飞教授研究团队报道了一种新型含不对称的多氟烷基NFSMA：EH-C8F17，并将其作为PM6:BTP-eC9主体共混物中的客体组分。EH-C8F17具有低表面能，这意味着其能够被包裹自迁移到活性层的顶部表面，从而导致自分层的三元OSCs。与传统的三元OSCs（其中第三组分随机分布在给体-受体相中，位于给体和受体相之间，或与给体或受体部分共结晶）相比，在该体系的三元活性层的旋涂过程中，能够自发形成几乎纯的受体层。据推测，这种自分层策略具有以下潜在优势：（1）底层BHJ结构能够实现有效的激子离解和传输；（2）EH-C8F17客体分子的顶部纯相促进了电子的传输和收集，并减少了电荷复合；（3）通过混合组分之间的表面能差更容易实现原位垂直相自分层，这避免了繁琐的连续沉积步骤，从而大大简化了复杂的三元活性层的制备。

图2.二维GIWAXS谱图

研究结果显示，性能最佳的自分层三元OSCs器件具有18.03%的高PCE，同时获得了提高的短路电流密度（JSC）和填充因子（FF），分别为27.3 mA cm-2和79.2%。研究发现，较高的JSC和FF主要来源于三元体系中的长寿命电荷载流子、有效电荷传输和抑制陷阱辅助复合。此外，该自分层策略对各种OSCs器件具有普遍有效性，包括PM6:IT-4F:EH-C8F17和PM6:Y6-BO:EH-C8F17，与二元对照器件相比，这些OSCs获得了更高的PCE（分别为14.42%和17.32%）。令人印象深刻的是，这种自分层形态不仅促进电荷分离和传输，也改善了厚膜器件的FF和JSC。因此，具有350 nm活性层厚度的器件PCE为16.89%，保留了具有110 nm活性层厚度器件93.8%的PCE（18.01%）。

图3.器件光伏性能比较

3.文献总结

综上，这项研究表明，使用不对称的多氟烷基取代的Y系列NFSMAs可以实现OSCs活性层的自分层，为精确控制高性能三元OSCs的垂直相分布提供了一种简便有效的方法。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，题为“A Polyfluoroalkyl-Containing Non-fullerene Acceptor Enables Self-Stratification in Organic Solar Cells”。

本文关键词：有机太阳能电池，非富勒烯受体，垂直相分布，多氟烷基，形貌调节。

4.材料推荐

PM6
1802013-83-7

L8-BO
2668341-40-8

Y6-BO
2389125-23-7

IT-4F
2097998-59-7