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  有機非富勒烯小分子受體材料由于設(shè)計合成簡單，在可見光甚至是近紅外區(qū)域有較強吸收，且能級可調(diào)，因而近年來受到了越來越多的關(guān)注，也取得了突破性的進展。尤其是基于稠環(huán)單元的A-D-A型小分子受體材料，通過優(yōu)化其稠環(huán)單元結(jié)構(gòu)，調(diào)整烷基側(cè)鏈，以及引入鹵原子等方法，可以使其單節(jié)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率突破15%。其中，鹵原子的引入可以有效的調(diào)控這類小分子的吸收光譜以及能級分布，是一種非常簡單有效的提升非富勒烯有機太陽能電池器件性能的途徑。大多數(shù)小分子受體材料引入氟或者氯原子后吸收光譜紅移，HOMO和LUMO能級降低，電子遷移率提升，進而得到更好的器件性能。

  在之前的工作中，他們報道了一種基于Cl原子取代的非富勒烯受體，命名為IDIC-4Cl，其結(jié)構(gòu)式如圖1（a）所示。通過單晶結(jié)構(gòu)他們發(fā)現(xiàn)分子具有很好的平面性，如圖1（b）所示，這有利于分子內(nèi)電荷的轉(zhuǎn)移以及分子間的堆積。他們觀察到了分子間通過π-π堆積到一起，形成了一個規(guī)整的線性堆積J聚集體，如圖1（c，d）所示，這是由于端基與端基之間通過Cl-S、Cl-π、π-π等非共價鍵相互作用力引起的，這種有序的堆積方式有利于分子間電荷的轉(zhuǎn)移，得到了光電轉(zhuǎn)換效率為9.24%的太陽能電池器件。(ACS Appl. Mater. Interfaces. 10, 39992-40000)

圖1.  IDIC-4Cl的結(jié)構(gòu)式和單晶圖

  他們將IDIC-4Cl的核從五元環(huán)設(shè)計成十元環(huán)后，得到分子R10-4Cl，其結(jié)構(gòu)式如圖2（a）所示，通過分析單晶衍射，他們同樣發(fā)現(xiàn)分子通過端基間的相互作用（Cl-S、Cl-π、π-π等）堆積到一起，形成J聚集體，如圖2（c，d）所示。值得注意的是，R10-4Cl得到的單晶結(jié)構(gòu)是Z字型網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，與IDIC-4Cl的線性堆積結(jié)構(gòu)相比，Z字型網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)可以使得電子向更多的方向傳輸，從而有利于得到更高的短路電流，最后，基于R10-4Cl受體的器件得到了10.7%的光電轉(zhuǎn)化效率。（Chem. Mater. 2019, 31, 1664-1671）

圖2  R10-4Cl的結(jié)構(gòu)式和單晶圖

  近日，在前期工作的基礎(chǔ)上，課題組成功合成并分離了兩種單氯取代的端基，命名為IC-Cl-δ和IC-Cl-γ，這為“單取代端基是混合物的問題”提供了解決思路。課題組并以IDTT為給電子核中心，合成了兩種非富勒烯小分子受體ITIC-2Cl-δ和ITIC-2Cl-γ（圖3）。通過單晶衍射分析發(fā)現(xiàn)，兩種分子具有完全不一樣的晶體結(jié)構(gòu)排列：ITIC-2Cl-δ為傳統(tǒng)的線性堆積結(jié)構(gòu)，而ITIC-2Cl-γ為3D互穿網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)（圖4），這種結(jié)構(gòu)可以使得電子向多個方向進行傳輸，其特性類似于富勒烯材料的各向同性。此外，比起ITIC-2Cl-δ，ITIC-2Cl-γ具有更好的分子平面性和更小的π-π堆積距離，這會提高分子堆積的有序度和結(jié)晶性，非常有利于電子的傳輸。相比于ITIC-2Cl-δ，ITIC-2Cl-γ具有更顯著的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)，因此具有更高的摩爾吸光系數(shù)，有利于對光子的吸收。另外，ITIC-2Cl-γ具有更高的LUMO能級，可以使得器件的V_oc得到提升。

圖3. ITIC-2Cl-δ和ITIC-2Cl-γ的合成路線以及ITIC-2Cl-m和PBDB-T2F的結(jié)構(gòu)式

圖4. （a，b）ITIC-2Cl-δ的單晶結(jié)構(gòu)圖；（c，d）ITIC-2Cl-γ的單晶結(jié)構(gòu)圖

  與聚合物PBDB-T2F共混以后，由于ITIC-2Cl-γ能夠形成高度有序的堆積結(jié)構(gòu)，因此其共混膜具有更高的電子遷移率和空穴遷移率。以聚合物PBDB-T2F為給體，ITIC-2Cl-γ為受體制備的非富勒烯有機太陽能電池器件的能量轉(zhuǎn)換效率達到了13.03%, 其中，開路電壓為0.93 V，短路電流為18.94 mA cm^-2，填充因子為74.07%。比起基于ITIC-2Cl-δ的器件，其光電轉(zhuǎn)化效率要高出13個百分點，值得注意的是，基于ITIC-2Cl-γ器件的開路電壓，短路電流和填充因子三個性能參數(shù)都要比基于ITIC-2Cl-δ的器件高，這是十分少見的一種情況。此外，基于ITIC-2Cl-γ的器件表現(xiàn)出較高的光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，這對于有機太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用有一定的幫助。以上結(jié)果表明，氯原子取代是一種非常有效的制備高性能非富勒烯小分子受體材料的方法，通過調(diào)控氯原子在端基上的位置，可以使分子具有完全不一樣的物理化學(xué)性質(zhì)。通過同時調(diào)節(jié)給電子核的大小以及氯原子的位置，可以一步一步實現(xiàn)分子從線性堆積結(jié)構(gòu)到Z字型網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，再到規(guī)整的3D互穿網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電子的多通道傳輸，提升材料的電子遷移率，從而進一步提升器件性能。

圖5. ITIC-2Cl-δ，ITIC-2Cl-m和ITIC-2Cl-γ分別與聚合物PBDB-T2F共混制備器件的（a）J-V曲線和（b）EQE曲線

  以上成果發(fā)表在iScience 上。該工作的第一作者為南方科技大學(xué)-哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生賴寒健，通訊作者為南方科技大學(xué)化學(xué)系何鳳副教授。

  本項研究的開展得到了國家自然科學(xué)基金“重點項目”和“面上項目”、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市科創(chuàng)委以及深圳諾貝爾獎科學(xué)家實驗室項目等經(jīng)費的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.06.033