王金亮, 安桥石在高效稳定的全小分子有机太阳能电池材料与器件构筑方面取得重要进展

wumian

近期，北京理工大学化学与化工学院王金亮教授团队在异构化小分子给体材料合成及其在高效率兼具稳定性好的全小分子有机太阳能电池的应用研究方面取得重要进展，相关研究成果发表在材料类国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202300878）上，题为“Isomeric Small Molecule Donor with Terminal Branching Position Directly Attached to the Backbone Enables Efficient All-Small-Molecule Organic Solar Cells with Excellent Stability”。北京理工大学为唯一通讯单位，化学与化工学院王金亮教授、安桥石特别研究员、黄学斌副教授为共同通讯作者，硕士研究生支鸿富为第一作者。
        如何开发可高效利用清洁能源的技术是国家能源战略布局面临的重大科学问题。有机太阳能电池（OSCs）作为一种高效利用太阳能的技术，由于具有轻、薄、柔和易加工等诸多优点受到了广泛关注。由于小分子材料具有明确的分子结构、批次稳定性好、易制备和纯化等优势，基于小分子给受体材料的全小分子有机太阳能电池（ASM-OSCs）展现出巨大商业化潜力。然而由于小分子有源层形貌敏感且难以调控，其整体效率和器件稳定性落后于其它类型材料构筑的有机太阳能电池。因此如何发展新的小分子给受体材料和制备出高效率兼具稳定性好的全小分子有机太阳能电池，是目前亟待解决的关键科学问题之一。
         针对上述的关键科学问题，王金亮教授团队基于前期在IDT核心的多氟代宽带隙单分散共轭大分子给体材料创制方面 ( J. Am. Chem. Soc. 2016 ,   138,  7687，被引用195次;  Adv. Funct. Mater. 2015,  25 , 3514； Adv. Funct. Mater.  2016,  26 , 1803)和高效全小分子有机太阳能电池器件制备方面( Energy Environ. Sci. 2021,  14 , 3945;  ACS Energy Lett. 2021,  6 , 2898， ACS Energy Lett. , 2023,  8 , 1058等)的研究工作基础，采用小分子给体端基异构化调控策略，在不改变末端烷基链总长度的情况下，设计合成了一组基于线性、分叉点在第1和2个碳原子位置的烷基化罗丹宁端基的苯并二噻吩-三噻吩类的小分子给体材料(SM- n -Bu，SM- s -Bu和SM- i -Bu，图1)。系统地探讨了端基烷基链异构化策略对小分子给体的光电行为、模型化合物单晶结构、与非富勒烯受体BO-4Cl的共混形态以及相应OSCs的效率和稳定性的影响和相应的构效关系。

图1：端基烷基链异构化小分子给体分子结构以及模型化合物的晶体堆积图对比

        相应的模型化合物的单晶结构展现出明显的差异性。与另外两个晶体的层状滑移堆积模式相比，末端烷基异构分叉点最临近罗丹宁骨架的晶体结构（T- s -Bu）具有更紧密的鱼骨状堆积模式，表明末端烷基链异构化调控可以精细调控分子间晶体堆积模式。尽管这些小分子异构化给体材料具有相似的吸收和HOMO/LUMO能级， SM-s-Bu:BO-4Cl共混膜具有更合适的相分离尺寸以及更明显的微晶共存特征（图2），进而促进了更加高且平衡的电子-空穴迁移率以及更弱的电荷复合。因此，基于SM- s -Bu:BO-4Cl的二元全小分子电池获得16.1%的最优光电转换效率，明显高于基于SM- n -Bu:BO-4Cl和SM- i -Bu:BO-4Cl的器件结果，是基于苯并二噻吩-三噻吩类小分子给体材料的全小分子有机太阳能电池的高光电转换效率之一。更重要的是，SM-s-Bu:BO-4Cl电池同时实现了存储 T 80寿命超过1700 h，表明其在获得高效率的同时兼具有出色的存储稳定性。综上，这项工作突破了给体末端基调控的传统思路，强调了末端烷基异构分叉点最临近罗丹宁骨架的策略有助改善晶体填充和调控共混薄膜形态，为实现高效率和稳定性好的全小分子太阳能电池提供了简便可行的新策略。

图2：基于三个异构化小分子给体的共混膜形貌(a-i)以及器件效率(j)以及稳定性(k)对比

       上述研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家海外高层次青年人才项目、北京理工大学特立青年学者计划等项目以及北京市光电转换材料重点实验室和北京理工大学分析测试中心的支持。韩国高丽大学的Han Young Woo教授、北京工商大学李熊教授、中国人民大学王亚培教授等给予了部分测试支持。
       文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202300878
        附作者简介：
         王金亮，化学与化工学院教授、博士生导师。2008年北京大学博士毕业，2013年入选国家海外高层次人才支持计划。主要从事有机与高分子光电能量转换材料化学研究，在单分散多氟代光伏给体材料和高效率含硒吩受体材料的高效合成以及器件性能调控方面开展了有特色的研究工作。主持承担了国家自然科学基金项目、国家海外高层次人才青年项目、北京市自然科学基金面上项目、北京理工大学特立青年学者计划等课题。至今在J. Am. Chem. Soc.等国际高水平学术期刊上已发表SCI论文 80余篇，总被引用6000余次。2016年入选北理工优秀硕士学位论文指导教师，2021年入选北京市优秀本科毕业论文指导教师。目前担任《北京理工大学学报英文版》第八届编委会委员。
        安桥石，北京理工大学化学与化工学院特别研究员、博士生导师。2017年博士毕业于北京交通大学，导师为张福俊教授。2018年-2020年，继续在北京交通大学从事博士后研究，2020年4月加入北京理工大学化学与化工学院，主要从事有机光电子材料与器件方面的工作。迄今以第一/通讯作者身份在Energy Environ. Sci.; Angew. Chem., Int. Ed., ACS Energy Lett. Adv. Funct. Mater.; Nano Energy等国际高水平期刊上发表SCI 论文 30 余篇，其中ESI高被引论文9篇，论文累计他引5000余次，主持国家自然科学基金青年项目1项。