自Y6受體分子問世，其高效率成功吸引眾多業(yè)內(nèi)工作者，因此也開始“Y系列”受體分子的改進與修飾，目前基于“Y系列”受體分子的最高效率接近18%，熔融環(huán)受體分子的設(shè)計佳作頻出，但完全非熔融環(huán)受體分子的發(fā)展卻略顯緩慢，因此，北京師范大學(xué)薄志山課題組設(shè)計并合成了2種完全非熔融環(huán)受體o-4TBC-2F和m-4TBC-2F，通過調(diào)節(jié)己基氧基鏈的位置控制分子扭曲程度，以此影響分子聚集體的形成，以PBDB-T為給體，基于o-4TBC-2F共混膜具有高電荷遷移率、低能量損失和高PCE值（10.26%），遠高于m-4TBC-2F（2.63%），是目前報道基于完全非熔融環(huán)受體PCE值最高的器件之一，為全非熔融環(huán)受體的發(fā)展再次打通一條新的方向！相關(guān)成果以“A De Novo Design of Fully Non-fused Ring Acceptor with Planar Backbone and Near-IR Absorption?for High Performance Polymer Solar Cells”為題于2020年8月31日發(fā)表于《Angew》
如圖1是2個分子的結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)受體分子具有如下潛在優(yōu)勢：[1]平面主鏈有利于π-電子離域；[2]平面分子促進分子間π-π相互作用，進而促進電荷運輸；[3]側(cè)鏈垂直取代防止分子過度聚集；[4]4個側(cè)鏈為受體提供良好的溶解性，從而使得共混膜具有良好形貌。更重要的是，在熱退火之后，o-4TBC-2F分子誘導(dǎo)產(chǎn)生J-聚集，最近的相關(guān)研究表明，J-聚集和其他類型的分子間相互作用有助于構(gòu)建3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得電荷空穴傳輸途徑增加，傳輸效率得以提升。
圖1 ?o-4TBC-2F、m-4TBC-2F受體分子結(jié)構(gòu)示意圖
[圖文速遞]
圖2 ??熱退火前后o-4TBC-2F和m-4TBC-2F薄膜的吸收光譜
圖3??DFT計算分子幾何構(gòu)型。從側(cè)面看，o-4TBC-2F分子主鏈是平面狀態(tài)，而m-4TBC-2F分子主鏈扭曲，由于烷氧基位置不同，與主鏈的二面角分別為74°、46°；俯視圖觀察2個中心噻吩單元的二面角分別為10°、57°，非取代噻吩和側(cè)鏈取代噻吩的二面角分別為3°、10°
圖4??歸一化FTPS-EQE光譜。PBDB-T:o-4TBC-2F和PBDB-T:m4TBC-2F的EUs分別為27.24和38.74meV，PBDB-T:o-4TBC-2F共混膜的EU降低了24.51meV，表明PBDB-T:o-4TBC-2非輻射能連損耗較低，有助于Jsc與Voc之間的平衡
圖5?純膜與共混膜GIWAXS測量。純o-4TBC-2F和m-4TBC-2F薄膜采用隨機的分子取向，無可見（010）和（100）衍射峰；熱退火后，純o-4TBC-2F薄膜出現(xiàn)（010）和（100）衍射峰，表明熱退火可以進一步促進o-4TBC-2F的分子堆積行為；對于共混膜，PBDB-T:m-4TBC-2F具有非晶態(tài)特征，在OOP方向出現(xiàn)微弱（010）峰，而PBDB-T:o-4TBC-2F共混物表現(xiàn)出更好的結(jié)晶特性，π-π相互作用更強；熱退火后，PBDB-T:o-4TBC-2F共混膜的二維衍射特征明顯，一維譜圖出現(xiàn)明顯（010）峰，表明PBDB-T:o-4TBC-2F共混膜具有明顯的長程有序性和擇優(yōu)取向面，有助于電荷輸運
圖6??PBDB-T:o-4TBC-2F和PBDB-T:m-4TBC-2F共混膜的AFM和TEM圖像。PBDB-T:m-4TBC-2F薄膜形成均勻的表面形貌，相比之下，PBDB-T:o-4TBC-2F薄膜中形成了具有微小纖維的納米級相分離，熱退火后這種現(xiàn)象更加明顯；TEM中，PBDB-T:o-4TBC-2F薄膜具有清晰的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有助于激子離解和電荷傳輸，而PBDB-T:m-4TBC-2F薄膜，無法觀察到納米纖維
[小結(jié)]
本文避開復(fù)雜的合成過程，設(shè)計了2個完全非熔融環(huán)受體分子，雖僅僅改變側(cè)鏈烷氧基的位置，但是2個分子的扭曲程度完全不同，o-4TBC-2F分子發(fā)生有利的J-聚集。目前，完全非熔融環(huán)受體分子的效率仍有很大的提升空間，精簡的設(shè)計也能帶來驚喜，受體分子的發(fā)展前景依然明亮，在實現(xiàn)高PCE的過程中，道路不只一條，每一條路上都充滿驚喜，相信在眾多行業(yè)工作者的奇思妙想下，有機太陽能電池的前景，一片明朗！
