有機非富勒烯小分子受體材料由于設計合成簡單，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注，也取得了突破性的進展。最近有機太陽電池的效率不斷被刷新，非富勒烯有機太陽單結(jié)的電池效率已超過18%。為了進一步推動此行業(yè)的發(fā)展，需要從原子層面上理解材料的堆積信息，幫助理解分子不同物理化學性能的內(nèi)在原因，從而設計具有更高性能的小分子受體材料。
在作者之前的工作中 (ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018, 10, 39992)，作者觀察到氯取代分子通過Cl-S、Cl-π、π-π等非共價鍵相互作用力進行堆積，形成了一個規(guī)整的線性堆積J聚集體，這種有序的堆積方式有利于分子間電荷的轉(zhuǎn)移。隨后在氯代端基同分異構(gòu)體體系中 (iScience 2019, 17, 302; J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 4737), 作者提出了三維網(wǎng)絡受體的概念，由于氯在端基取代位置的不同，引起了分子從二維線性堆積到三維堆積的分子排列轉(zhuǎn)變，三維堆積可以形成在受體分子中形成更多電子跳躍傳輸?shù)慕Y(jié)點，有利于電荷在分子間的高效傳輸。在溴原子取代體系里，作者同樣也發(fā)現(xiàn)了受體分子的三維網(wǎng)絡堆積行為 (Chem. Mater. 2019, 31, 8044)。在最近興起的高效率A-D-A-D-A類型受體材料里，研究者首次解出了三氟甲基取代的受體分子的單晶結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在該分子中由于多重的分子間相互作用以及H/J聚集的協(xié)同作用使得該受體分子形成三維網(wǎng)絡傳輸結(jié)構(gòu) (Joule 2020, 4, 688)。
圖1：不同鹵素取代的單晶堆積排列.
圖2：氯取代同分異構(gòu)體的分子間相互作用以及堆積信息.
圖3：A-D-A-D-A體系分子BTIC-CF3-γ的單晶堆積.
基于在有機太陽能電池受體材料晶體方面的工作，南方科技大學化學系何鳳教授團隊受邀在國際材料期刊Advanced Energy Materials上發(fā)表相關綜述。在此綜述里，研究者系統(tǒng)總結(jié)了大部分具有確定晶體數(shù)據(jù)的受體材料，討論了分子的結(jié)構(gòu)設計，堆積方式以及性能之間的關系。另外，研究者提出了“三維網(wǎng)絡受體”的概念，在此類受體分子中其會擁有更多電子跳躍傳輸?shù)慕Y(jié)點，電子可以沿著xyz三個方向規(guī)整的π-π堆積進行傳輸，從而增加了材料的遷移率，進一步提高其光電性質(zhì)。另外文章也討論了在受體材料中有關單晶方面的問題，強調(diào)了如何通過現(xiàn)有的單晶信息來理解和調(diào)整分子間相互作用力以及聚集狀態(tài)，從而實現(xiàn)更高效的受體材料的定向合成與設計。
研究者們相信，探索光電材料的微觀堆積信息會對材料的性質(zhì)有更進一步的認識，通過調(diào)控分子的聚集狀態(tài)以及分子間相互作用，可以為新型高效的光伏材料發(fā)展提供新的思路。相關論文在線發(fā)表在國際材料期刊Advanced Energy Materials（IF =25.2）上，DOI: 10.1002/aenm.202002678，第一作者為南方科技大學-哈爾濱工業(yè)大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生賴寒健，通訊作者為南方科技大學化學系何鳳教授。
參考文獻：H. Lai, and F. He, Adv. Energy Mater. 2020. DOI: 10.1002/aenm.202002678.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002678
