前言
有機太陽能電池（OSCs）因其輕便、柔性、可大面積制備等優勢，近年來備受關注。為了提升OSCs的效率，研究人員不斷開發新型有機光伏受體材料，特別是基于受體-供體-受體（A-D-A）結構的小分子受體（SMAs）。然而，目前高效率的OSCs器件通常依賴于含鹵素溶劑，這不利于其大規模商業化應用。因此，開發與無鹵素溶劑兼容的高效有機光伏材料至關重要。
深圳大學楊楚羅團隊八月于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202407517) 中發表的研究成果，提出了一種基于苯并[a]吩嗪 (BP) 核心的新型SMA，并通過異構化氯化策略，設計了一系列SMA，包括未氯化的NA1、10位氯取代的NA2、8位氯取代的NA3和7位氯取代的NA4。重要的是，在PM6二元混合物中加入D18-Cl，可以增強晶體學有序性和增加供體相的激子擴散長度，從而使三元器件的效率達到19.75%（認證為19.39%）。這些發現強調了在高效SMAs的設計中，融入新的電子缺陷單位對于實現環境友好型溶劑加工有機太陽能電池的重要性。
導讀目錄
1. 前言
2. 研究目的
3. 研究方法
4. 器件與表征
5. 結論
研究目的
研究的目的在于開發與無鹵溶劑兼容的高效有機光伏材料，以克服當前高性能有機太陽能電池對含鹵溶劑的依賴。通過設計和合成一系列基于苯并[a]菲嗪（BP）核心的小分子受體（SMAs），研究人員旨在實現高效的能量轉換效率（PCE），尤其是在使用正交二甲苯（o-XY）作為加工溶劑時。此外，研究還探索了氯原子取代位置對分子溶解性和結晶/聚集行為的影響，以及如何通過在二元混合物中加入D18-Cl來進一步提高器件的效率。
研究方法
本研究旨在設計、探究基于苯并[a]菲嗪 (BP) 為核心的新型小分子受體 (SMAs) 的分子結構，并評估其在有機太陽能電池中的應用，主要研究方法如下：
1. 材料設計與合成
研究團隊設計了一系列以苯并[a]菲嗪（BP）為核心的三維網絡受體材料，小分子受體（SMAs），并通過異構化氯化策略合成了四種目標材料，分別為NA1、NA2、NA3和NA4。
(a) 二面角：顯示了NA1、NA2、NA3和NA4的N–C–C–N二面角，分別為8.9°、9.0°、9.1°和9.0°，表明這些分子的平面性。
(b) 最佳二聚體結構：展示了這些分子的最佳二聚體結構，包括π?ππ?π堆積距離和LUMO軌道重疊長度。所有分子的能量差（ΔE）為0 eV，顯示出穩定的堆積結構。NA3的IC/BP相互作用距離為13.84 ?，顯示出良好的分子堆積。
(c) 單晶堆積模式：展示了NA3的三維網絡結構和不同二聚體的堆積模式。特別是，Dimer IV的IC/IC相互作用顯示出104.3 meV的電子耦合，表明其優異的電子傳輸能力。
2. 理論模擬
使用密度泛函理論（DFT）計算來模擬分子的單分子幾何和局部偶極矩，以了解分子的平面性和分子間的相互作用，并計算電子耦合和進行分子軌道分析。
3. 其他測試
l 循環伏安法（CV）：用于測定材料的氧化還原電位，進而確定分子的能級和氧化還原特性。
l 空間電荷限制電流（SCLC）方法：用于測量薄膜的載流子遷移率。
l 瞬態吸收光譜學（TAS）：用于研究激子動態，分析激子的擴散和解離行為。
器件與表征
本研究通過多種表征手段，深入探究了基于苯并[a]菲嗪 (BP) 為核心的新型小分子受體 (SMAs) 的分子結構、光電性質、薄膜形態以及器件性能，主要成果如下：
1. 器件性能
l J-V曲線測量: 研究團隊使用 Keysight B2901A Source Meter 在恒溫箱中，模擬 AM 1.5G（100 mW cm^-2）標準光照條件下，使用 Enlitech 太陽模擬器測量器件的 J-V 曲線。通過分析 J-V 曲線，可以獲得器件的開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和能量轉換效率（PCE）等關鍵參數，并比較不同材料組合的性能差異。
l 外量子效率（EQE）測量: 研究團隊使用Enlitech公司生產的 Solar Cell Spectral Response Measurement System QE-R3011 進行 EQE 測量，以獲取太陽能電池在 300-900 nm 波長范圍內的光電轉換效率信息。通過 EQE 測量，可以計算出每個波長的光電轉換效率，并與標準單晶硅光伏電池進行校準，進一步理解器件對不同波長光子的響應能力，以及激子的產生和收集效率。此外，通過光電流密度與 EQE 曲線的積分，可以驗證 Jsc 的準確性。
(a) J-V曲線：顯示了不同材料組合（PM6、PM6、PM6、PM6）的電流密度與電壓關系。PM6表現出最佳性能。
(b) EQE曲線：展示了這些材料在不同波長下的外量子效率。PM6在大多數波長下的EQE最高。
(c) JphJph vs VeffVeff：顯示了光生電流密度與有效電壓的關系，PM6的曲線表明其更高的光電轉換效率。
(d) J-V曲線（PM6:D18-Cl vs PM6）：比較了加入D18-Cl后的器件性能，顯示出效率的提升。插圖中顯示了認證的PCE為19.39%。
(e) EQE曲線（PM6:D18-Cl vs PM6）：顯示了加入D18-Cl后的EQE變化，表明光電轉換性能的提升。
(f) PCE vs VOC×JSCVOC×JSC：比較了本研究與先前報告的器件效率，顯示出本研究的器件在效率上有顯著提升。
Figure S7顯示了PM6、PM6、PM6、PM6和PM6:D18-Cl混合物的J-V特性在黑暗中的特征。這張圖表用于評估太陽能電池中的電荷傳輸和收集效率，特別是在沒有光照的情況下。通過分析這些曲線，可以了解器件中的空間電荷限制電流（SCLC）行為，并計算出電荷遷移率。
2. 分子結構與性質
l 核磁共振（NMR）： 用于鑒定化合物的化學結構，包括1H NMR和13C NMR，確認了目標分子的成功合成。
l 質譜（MS）： 用于測定化合物的分子量和純度，驗證了合成物質的準確性。
l 理論模擬： 使用密度泛函理論（DFT）計算來模擬分子的單分子幾何和局部偶極矩，以了解分子的平面性和分子間的相互作用，并計算電子耦合和進行分子軌道分析。
l 單晶X射線衍射（XRD）： 通過單晶X射線衍射實驗來研究分子的晶體結構和分子間的堆積行為，揭示了分子排列和晶體堆積方式。
l 電化學測試： 進行循環伏安法（CV）測試來確定材料的氧化還原電位，進而確定分子的能級和氧化還原特性。
l 紫外-可見吸收光譜： 測量薄膜和溶液的吸收光譜，以了解分子的光吸收特性，分析其光譜吸收范圍和強度。
3. 薄膜形態與特性
l 二維掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）： 使用GIWAXS技術來分析薄膜的分子堆積和聚集特征，探究薄膜的結晶度和取向。
l 原子力顯微鏡（AFM）： 用于分析薄膜的表面形態，觀察表面粗糙度和相分離情況。
l 透射電子顯微鏡（TEM）： 用于觀察薄膜的體態結構，研究薄膜內部的微觀形貌和相分布。
l 空間電荷限制電流（SCLC）方法： 使用SCLC方法來測量薄膜的載流子遷移率，評估電荷傳輸性能。
4. 瞬態吸收光譜學（TAS）： 用于研究激子動態，分析激子的擴散和解離行為，了解激子在材料中的傳輸和分離過程。
結論
1. 新型小分子受體的設計與合成：研究團隊設計并合成了一系列以苯并[a]菲嗪為核心的小分子受體，這些材料在結構上具有創新性，特別是在氯原子的精確定位方面。
2. 高效率OSCs的實現：通過使用這些新設計的受體材料，研究人員在使用正交二甲苯作為加工溶劑時，實現了接近20%的能量轉換效率，這是該領域的一個重要進步。
3. 環境友好型溶劑處理的示范：研究證明了使用非鹵素溶劑（如正交二甲苯）來制備高效率OSCs的可行性，這對于推動OSCs的大規模商業化和環境友好型生產具有重要意義。
4. 深入的結構-性能關系分析：研究通過理論模擬和實驗手段，詳細分析了分子結構、薄膜形態和器件性能之間的關系，為未來材料設計提供了重要的參考。
5. 高效能器件的制備方法：通過在PM6二元混合物中加入D18-Cl，進一步提升了器件的效率，這提供了一種優化OSCs性能的新策略。
這些新知識為有機太陽能電池領域的進一步研究和應用奠定了基礎，并為解決當前OSCs行業面臨的挑戰提供了新的解決方案。
文獻參考自Advanced Materials_DOI:10.1002/adma.202407517
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