有机太阳能电池（OSCs）凭借其重量轻、成本低、灵活性和可溶液处理等优点近年来被视为有潜力的可持续能源。由于光伏材料的创新，特别是稠环非富勒烯受体（FREAs）的问世，使得OSCs的效率实现了很大的突破。目前，以Y6为代表的A-DA'D-A型分子已将单结OSCs的光电转换效率（PCE）提高到18%以上。与此同时，非共价稠环受体（NFREAs）也逐渐成为热点。从分子设计的角度来看，O··S、O··H和S··N等分子内非共价相互作用可以赋予NFREAs类似于FREAs的平面梯形结构，从而促进分子间π-π堆积以获得高电子迁移率。此外，NFREAs具有结构多样性和合成简单的特点，可以用于探索具有低成本效益的受体材料。

  实际上，围绕核心、端基和侧链的分子工程已被广泛应用于分子优化，而端基卤化（通常为氟化或氯化）无疑是最成功的策略之一。相比于氟化，氯化在调节光学和电学特性方面更为有效，这使得分子具有较低的能级和吸收红移，从而可以提高其器件中的开路电压（Voc）和短路电流（Jsc）。此外，原子尺寸较大的氯原子增强了π电子的重叠，改善了分子内电荷转移（ICT）和晶体性质。然而，高性能氯化的NFREAs体系目前还很少有报道。

图1 相关分子结构与PCE比较

  基于上述的想法，近日，南京理工大学唐卫华教授课题组利用DBT单元作为中心核，并以IC-2Cl作为端基设计了三种新型不对称NFREAs：DBT-EH、DBT-BO和DBT-HD。这三种分子分别以2-乙基己基（EH）、2-丁基辛基（BO）和2-己基癸基（HD）为烷氧基侧链，最终揭示了中心侧链对氯化NFREAs的光电和光伏性能的影响。研究结果显示，这三种新型受体分子在550-850 nm处表现出几乎相同的能级和强吸收，光学带隙低于1.40 eV。

图2 相关器件的光伏性能

  研究人员将三种NFREAs应用于制备高性能OSCs器件之中，当与聚合物给体PBDB-T共混时，基于DBT-HD的共混膜显示出纤维状互穿网络纳米结构，可以实现有效的电荷传输，最佳PCE高达13.57%，其中Voc为0.85 V，Jsc为21.75 mA cm-2，填充因子（FF）为73.39%，明显优于基于DBT-BO（12.59%，70.96%）、DBT-EH（8.54%，54.30%）及其氟化DBT-4F（12.14%，70.24%）的器件，而且该器件的能量损失低至0.53 eV。据悉，13.57%的PCE和73.39%的FF是文献中基于NFREAs的二元OSCs的最高值之一。这些结果也表明，端基氯化和中心侧链的分子工程在探索具有低成本效益NFREAs方面潜力无限。

图3 相关器件的形貌表征图

  综上所述，本文工作不仅合成了高性能、低成本的NFREAs，同时也为相关的分子设计提供了新的策略。

参考文献：

J. Cao, H. Wang, L. Yang, F. Du, J. Yu, W. Tang, Chlorinated unfused acceptor enabling 13.57% efficiency and 73.39% fill factor organic solar cells via fine-tuning alkoxyl chains on benzene core, Chemical Engineering Journal (2021), doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131828