不同卤化端基的非富勒烯受体对有机太阳能电池的影响

doi:10.7503/cjcu20230084

摘要/Abstract

摘要：

非富勒烯受体(NFAs)的端基卤化是制备高性能NFAs有机太阳能电池(OSCs)的有效方法. 本文合成了 3种NFAs(BTP-SSe-F, BTP-SSe-Cl和BTP-SSe-Br), 其具有不同的卤化端基, 分别为IC-2F, IC-2Cl和IC-2Br.对 3种NFAs的光物理性能、电化学性质、有机光伏性能和活性层形貌等进行测试分析发现, 氟化NFAs比氯化和溴化NFAs具有更低的能级. 3种NFAs的紫外-可见吸收光谱相比于常见的受体材料都出现了红移, 而且BTP-SSe-F具有更强的分子间作用力. BTP-SSe-F具有更优异并且平衡的电子和空穴迁移率. 与BTP-SSe-Cl和BTP-SSe-Br相比, BTP-SSe-F共混膜具有更合适的粗糙度、更好的相分离尺寸和更强的π-π堆积作用. 当聚 [(2,6-(4,8-双(5-(2-乙基己基-3-氟)噻吩-2-基)-苯并[1,2-B:4,5-B']二噻吩])-ALT-(5,5-(1',3'-二-2-噻吩-5',7'-双(2-乙基己基)苯并[1',2'-C:4',5'-C']二噻吩-4,8-二酮)(PM6)作为给体材料, 基于BTP-SSe-F的光电器件表现出最高的功率转换效率(PCE=16.5%), 具有最高的电流密度(J_SC=28.17 mA·cm^-2)和填充因子(FF=74.11%). 研究结果表明, 不同卤化端基的NFAs对OSCs的光电性能有较大影响, 其中端基的氟化可以有效构建高性能光伏材料.

关键词: 有机太阳能电池, 卤化, 端基工程, 非富勒烯受体

Abstract:

The end-group halogenation of non-fullerene acceptors（NFAs） is an effective method to fabricate high- performance NFAs organic solar cells（OSCs）. Here in， three NFAs， BTP-SSe-F， BTP-SSe-Cl and BTP-SSe-Br， were synthesized. They had different halogenated end groups， IC-2F， IC-2Cl and IC-2Br， respectively. The photophysical properties， electrochemical properties， organic photovoltaic properties and active layer morphology of the three NFAs were tested and analyzed. It was found that fluorinated NFAs had lower energy levels than chlorinated and brominated NFAs. The UV-visible absorption spectra of the three NFAs all showed red-shifting， and the intermolecular force of BTP-SSe-F was stronger. BTP-SSe-F had better electron and hole mobility and more balanced electron and hole mobility. Compared with BTP-SSe-Cl and BTP-SSe-Br， BTP-SSe-F blends had more suitable roughness， better phase separation size and stronger π⁃π packing. When PM6 was used as the donor material， the BTP-SSe-F based optoelectronic devices exhibited the highest power conversion efficiency（PCE=16.53%）， the highest current density（J_SC=28.17 mA/cm²） and the highest filling factor（FF=74.11%）. These results indicate that different halogenated end-group NFAs have great influence on the photoelectric performance of OSCs， and the fluorination of end-group can be very effective in constructing high-performance photovoltaic materials.

Key words: Organic solar cell, Halogenation, Engineering of end-group, Non-fullerene acceptor

中图分类号:

O613.4

TrendMD:

郭赟彤, 陈振宇, 葛子义. 不同卤化端基的非富勒烯受体对有机太阳能电池的影响. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230084.

GUO Yuntong, CHEN Zhenyu, GE Ziyi. Effects of Different Halogenated End-groups Non-fullerene Acceptors on the Organic Solar Cells. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20230084.

图/表 10

Fig.1 Molecular configurations of BTP⁃SSe⁃F(A), BTP⁃SSe⁃Cl(B) and BTP⁃SSe⁃Br(C) obtained by DFT calculations, equivalent surface maps of HOMO(D—F) and LUMO(G—I) orbits for BTP⁃SSe⁃F(D， G), BTP⁃SSe⁃Cl(E, H) and BTP⁃SSe⁃Br(F, I)

Fig.2 TGA curves of BTP⁃SSe⁃F(a), BTP⁃SSe⁃Cl(b) and BTP⁃SSe⁃Br(c)

Fig.3 Normalized UV⁃Vis absorption spectra of BTP⁃SSe⁃F, BTP⁃SSe⁃Cl and BTP⁃SSe⁃Br in chloroform solutions(A) and neat films(B)

Table 1 Optical and electrochemical properties of BTP-SSe-F, BTP-SSe-Cl and BTP-SSe-Br

Acceptor	E_HOMO/eV	E_LUMO/eV	E $g o p t, a$ /eV	λ $o n s e t$ /nm	λ $m a x b$ /nm	λ $m a x c$ /nm	E $g e l e, d$ /eV
BTP⁃SSe⁃F	-5.72	-4.41	1.31	949	753	834	2.13
BTP⁃SSe⁃Cl	-5.68	-4.35	1.33	930	767	839	2.18
BTPSSe⁃Br	-5.64	-4.34	1.30	957	770	846	2.14

Table 1 Optical and electrochemical properties of BTP-SSe-F, BTP-SSe-Cl and BTP-SSe-Br

Acceptor	E_HOMO/eV	E_LUMO/eV	E $g o p t, a$ /eV	λ $o n s e t$ /nm	λ $m a x b$ /nm	λ $m a x c$ /nm	E $g e l e, d$ /eV
BTP⁃SSe⁃F	-5.72	-4.41	1.31	949	753	834	2.13
BTP⁃SSe⁃Cl	-5.68	-4.35	1.33	930	767	839	2.18
BTPSSe⁃Br	-5.64	-4.34	1.30	957	770	846	2.14

Fig.4 Cyclic voltammetry(CV) measurements of BTP⁃SSe⁃F(A), BTP⁃SSe⁃Cl(B) and BTP⁃SSe⁃Br(C) films and the energy level of donor and acceptors(D)

Fig.5 J⁃V characteristics(A) and EQE spectra(B) of the OSCs based on PM6∶acceptors

Table 2 Photovoltaic parameters of the OSCs

Active layer	V_oc/V	J_sc/（mA·cm^-2）	J $s c c a l$ /（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
PM6∶BTP⁃SSe⁃F	0.792	28.17	28.42	74.11	16.53
PM6∶BTP⁃SSe⁃Cl	0.806	27.10	27.09	69.51	15.18
PM6∶BTP⁃SSe⁃Br	0.789	25.22	25.86	66.19	13.18

Table 2 Photovoltaic parameters of the OSCs

Active layer	V_oc/V	J_sc/（mA·cm^-2）	J $s c c a l$ /（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
PM6∶BTP⁃SSe⁃F	0.792	28.17	28.42	74.11	16.53
PM6∶BTP⁃SSe⁃Cl	0.806	27.10	27.09	69.51	15.18
PM6∶BTP⁃SSe⁃Br	0.789	25.22	25.86	66.19	13.18

Fig.6 Electron mobility curves(A) and hole mobility curves(B) of the OSCs

Fig.7 Jph⁃Veff curves of optimal devices

Fig.8 AFM(A—C) and TEM(D—F) images of PM6∶BTP⁃SSe⁃F(A, D), PM6∶BTP⁃SSe⁃Cl(B, E) and PM6∶BTP⁃SSe⁃Br(C, F) blend filmsInsets of (A—C): corresponding phase diagrams.

参考文献 25

1	Chen Z. Y.， Song W.， Yu K. B.， Ge J. F.， Zhang J. S.， Xie L.， Peng R. X.， Ge Z. Y.， Joule， 2021， 5（9）， 2395—2407
2	Ge J. F.， Hong L.， Ma H. Y.， Ye Q. R.， Chen Y. W.， Xie L.， Song W.， Li D. D.， Chen Z. Y.， Yu K. B.， Zhang J. Q.， Wei Z. X.， Huang F.， Ge Z. Y.， Adv. Mater.， 2022， 34（29）， 2202752
3	Zhou M. W.， Liao C. T.， Duan Y. W.， Xu X. P.， Yu L. Y.， Li R. P.， Peng Q.， Adv. Mater.， 2023， 35（6）， 2208279
4	Zhu L.， Zhang M.， Xu J. Q.， Li C.， Yan J.， Zhou G. Q.， Zhong W. K.， Hao T. Y.， Song J. L.， Xue X. N.， Zhou Z. C.， Zeng R.， Zhu H. M.， Chen C. C.， MacKenzie R. C. I.， Zou Y. C.， Nelson J.， Zhang Y. M.， Sun Y. M.， Liu F.， Nat. Mater.， 2022， 21（6）， 656—663
5	He C. L.， Bi Z. Z.， Chen Z.， Guo J.， Xia X. X.， Lu X. H.， Min J.， Zhu H. M.， Ma W.， Zuo L. J.， Chen H. Z.， Adv. Funct. Mater.， 2022， 32（18）， 2112511
6	Li Y.， Cai Y. H.， Xie Y. P.， Song J. H.， Wu H. B.， Tang Z.， Zhang J.， Huang F.， Sun Y. M.， Energy Environ. Sci.， 2021， 14（9）， 5009—5016
7	Gao W.， Qi F.， Peng Z. X.， Lin F. R.， Jiang K.， Zhong C.， Kaminsky W.， Guan Z. Q.， Lee C. S.， Marks T. J.， Ade H.， Jen A. K. Y.， Adv. Mater.， 2022， 34（32）， 2202089
8	Guo Y. T.， Chen Z. Y.， Ge J. F.， Zhang J. N.， Xie L.， Peng R. X.， Ma W.， Ge Z. Y.， Sci. China Chem.， 2023， 66（2）， 500—507
9	Yan L.， Zhang H.， An Q. S.， Jiang M. Y.， Mahmood A.， Jee M. H.， Bai H. R.， Zhi H. F.， Zhang S. W.， Woo H. Y.， Wang J. L.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2022， 61（46）， e202209454
10	Wang L.， An Q. S.， Yan L.， Bai H. R.， Jiang M. Y.， Mahmood A.， Yang C.， Zhi H. F.， Wang J. L.， Energy Environ. Sci.， 2022， 15（1）， 320—333
11	Zou Y. L.， Chen H. B.， Bi X. Q.， Xu X. Y.， Wang H. B.， Lin M. L.， Ma Z. F.， Zhang M. T.， Li C. X.， Wan X. J.， Long G. K.， Yao Z. Y.， Chen Y. S.， Energy Environ. Sci.， 2022， 15（8）， 3519—3533
12	Zhang J. Q.， Luo S. W.， Zhao H.， Xu X. Y.， Zou X. H.， Shang A.， Liang J. E.， Bai F. J.， Chen Y. Z.， Wong K. S.， Ma Z. F.， Ma W.， Hu H. W.， Chen Y. W.， Yan H.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2022， 61（46）， e202206930
13	Huang F. F.， Li Z. X.， Song G. K.， Jiang C. Z.， Yang Y.， Wang J.， Wan X. J.， Li C. X.， Yao Z. Y.， Chen Y. S.， Adv. Funct. Mater.， 2022， 33（4）， e2211140
14	Li G. P.， Zhang X. H.， Jones L. O.， Alzola J. M.， Mukherjee S.， Feng L. W.， Zhu W. G.， Stern C. L.， Huang W.， Yu J. S.， Sangwan V. K.， DeLongchamp D. M.， Kohlstedt K. L.， Wasielewski M. R.， Hersam M. C.， Schatz G. C.， Facchetti A.， Marks T. J.， J. Am. Chem. Soc.， 2021， 143（16）， 6123—6139
15	Lu H.， Jin H.， Huang H.， Liu W. X.， Tang Z.， Zhang J. Q.， Bo Z. S.， Adv. Funct. Mater.， 2021， 31（35）， 2103445
16	Mo D. Z.， Chen H.， Zhu Y. L.， Huang H. H.， Chao P. J.， He F.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2021， 13（5）， 6147—6155
17	Luo Z. H.， Ma R. J.， Chen Z. X.， Xiao Y. Q.， Zhang G. Y.， Liu T.， Sun R.， Zhan Q.， Zou Y.， Zhong C.， Chen Y. Z.， Sun H. L.， Chai G. D.， Chen K.， Guo X. G.， Min J.， Lu X. H.， Yang C. L.， Yan H.， Adv. Energy Mater.， 2020， 10（44）， 2002649
18	Hu D. Q.， Yang Q. G.， Zheng Y. J.， Tang H.， Chung S.， Singh R.， Lv J.， Fu J. H.， Kan Z.， Qin B.， Chen Q. Q.， Liao Z. H.， Chen H. Y.， Xiao Z. Y.， Sun K.， Lu S. R.， Adv. Sci.， 2021， 8（8）， 2004262
19	Li C. Q.， Zhang X.， Yu N.， Gu X. B.， Qin L. Q.， Wei Y. N.， Liu X. Z.， Zhang J. Q.， Wei Z. X.， Tang Z.， Shi Q. Q.， Huang H.， Adv. Funct. Mater.， 2021， 32（5）， 2108861
20	Meng H. F.， Liao C. T.， Deng M.， Xu X. P.， Yu L. Y.， Peng Q.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（41）， 22554—22561
21	Ge J. F.， Xie L. C.， Peng R. X.， Fanady B.， Huang J. M.， Song W.， Yan T. T.， Zhang W. X.， Ge Z. Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（7）， 2808—2815
22	Han C. Y.， Wang J. X.， Chen L. L.， Chen J. F.， Zhou L.， Wang P. C.， Shen W. F.， Zheng N.， Wen S. G.， Li Y. H.， Bao X. C.， Adv. Funct. Mater.， 2021， 31（49）， 2107026
23	Chen Y. Z.， Liu T.， Hu H. W.， Ma T. X.， Lai J. Y. L.， Zhang J. Q.， Ade H.， Yan H.， Adv. Energy Mater.， 2018， 8（27）， 1801203
24	Bi Z. Z.， Naveed H. B.， Wu H. B.， Zhang C. K.， Zhou X. B.， Wang J.， Wang M.， Wu X. H.， Zhu Q. L.， Zhou K.， Chen K.， Wang C.， Tang Z.， Ma W.， Adv. Energy Mater.， 2022， 12（18）， 2103735
25	Gao X.， Ma X. L.， Liu Z. F.， Gao J. X.， Qi Q. C.， Yu Y.， Gao Y.， Ma Z. F.， Ye L.， Min J.， Wen J.， Gao J. H.， Zhang F. J.， Liu Z. T.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2022， 14（20）， 23701—23708

[1]	何韦, 陈飞, 李鸿祥, 王嘉宇, 秦家强, 崔宁博, 严岑琪, 程沛. 基于三氟苯甲酸自组装阳极界面层的高性能有机太阳能电池[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230161.
[2]	张永倩, 朱小玉, 苗俊辉, 刘俊, 王利祥. 烷基链支化位点对全稠环小分子受体聚集的影响[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230068.
[3]	时宇, 张榴, 国霞, 王阳, 肖海芹, 房进, 周祎, 张茂杰. 聚合物添加剂作为形貌调节剂提升全小分子有机太阳能电池的效率和稳定性[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230047.
[4]	赵明新, 姚志刚, 刘中原, 徐文婧, 马晓玲, 张福俊. 逐层沉积型有机太阳能电池的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230120.
[5]	韦晚霞, 周先敏, 董馨韵, 刘铁峰, 谢聪, 程靖宇, 陈建平, 陆鑫, 冯凯, 周印华. 交联PEDOT∶F空穴传输层提升柔性有机光伏电池性能的研究[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230069.
[6]	司文钦, 李腾飞, 林禹泽. 非对称稠环光伏电子受体[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230149.
[7]	张有辉, 杨娜, 段娜, 程毓君, 游诗勇, 吴飞燕, 谌烈. 端基修饰聚合物给体制备高性能有机太阳能电池[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230169.
[8]	方海盛, 梁世洁, 肖承义, 夏冬冬, 李韦伟. 基于刚性连接单元的双缆共轭高分子材料的合成及在单组分有机太阳能电池中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230146.
[9]	陈海阳, 李欣琪, 丁俊源, 黄雨婷, 李耀文. 客体增塑剂调控非卤溶剂中聚合物给体预聚集行为制备高性能有机太阳能电池[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230128.
[10]	张亿, 单通, 王焱, 钟洪亮. 以锗为桥接原子的受体材料及其在有机太阳能电池中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230050.
[11]	王坤华, 姚纪松, 杨俊楠, 宋永慧, 刘雨莹, 姚宏斌. 金属卤化物钙钛矿纳米晶高效发光二极管的制备与器件性能优化[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1464.
[12]	宋美宁, 郝海景, 陈卫平, 顾芳, 巴信武. 以三聚茚为核的星型电子受体材料的合成、表征与光伏性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(7): 1527.
[13]	嵇天浩, 田颜清. 卤化钙钛矿型纳米晶的光学性能及应用研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(6): 1113.
[14]	闫璇, 薛冰纯, 刘二保. 水体系中尿素卤化铵共晶合成及影响因素的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(12): 2700.
[15]	覃方红, 邱江源, 肖碧源, 米艳, 黄在银. 基于溶解热力学原理对纳米卤化银热力学性质的研究[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(10): 2214.