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前言回顾

随着新型非富勒烯受体（NFAs）的不断发展，有机太阳能电池（OSCs）领域近年来取得了一系列的发展。迄今为止，尽管大多数具有高PCE的OSCs主要基于Y系列NFAs实现。然而，由于NFAs化学结构的巨大多样性，一些其它具有A-D-A骨架的NFAs仍有巨大的潜力来提高器件的性能。因此，为了生产高性能OSCs，开发更多类型的新型NFAs是非常有必要的。

2016年，南开大学陈永胜教授研究团队 首次将芴单元应用于构建稠环NFAs（FDICTF），基于FDICTF的OSCs实现了超过10%的高PCE。随后，通过合理的分子优化，研究人员相继开发了一系列基于FDICTF的稠环NFAs如FO-2Cl等，并成功地应用于各种类型的器件。然而，F系列NFAs中的芴单元通常具有大的电子共振能量、差的电子离域性和弱的给电子能力，这导致较深的HOMO能级以及相应NFAs的光吸收不足，从而使得基于F系列NFAs的OSCs具有相对较小的短电流密度（JSC）和较大的能量损失。因此，通过合理的结构修饰进一步优化F系列NFAs的能级并拓宽其吸收光谱尤为重要。

图1.分子结构、能级排列、光谱性质

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文献简介

根据之前的报道，杂原子掺杂策略，特别是硒的引入，可以在不破坏原始分子结构的情况下微调材料性能和改善OSCs性能。用硒取代光收集材料中常见的硫原子通常会获得多重优势：（1）硒原子的大而松散的最外层电子云可以改善相邻共轭单元的分子间π-π堆积和轨道重叠；（2）硒原子通常可以导致更明显的醌式共振特征，从而增加结构的平面性并降低活性层材料的光学带隙；（3）硒比硫更易极化，这可能导致分子间Se-Se相互作用并增加电荷载流子迁移率。考虑到这些，在高性能F系列NFAs的基础上，陈永胜教授、姚朝阳研究员团队通过用硒取代FO-2Cl中的硫来实现原子级的结构优化，从而设计并合成了一种新型NFAs：FOSe-2Cl。FOSe-2Cl不仅继承了FO-2Cl的良好平面构型，而且与FO-2Cl相比，还表现出更合适的能级、红移吸收、增强的分子填充和加速的电荷转移/传输动力学。

图2.器件光伏性能比较

当使用聚合物PM6作为给体时，基于FOSe-2Cl的OSCs获得了15.94%的功率转换效率（PCE）、24.85 mA cm-2的JSC和0.670 eV的能量损失（Eloss），明显优于基于FO-2Cl的器件（PCE为14.94%、JSC为23.10 mA cm-2、Eloss为0.706 eV）。值得注意的是，该结果不仅是迄今为止报道的基于吡喃稠环芴系列NFAs的二元OSCs器件最高性能，而且代表了基于其它NFAs的二元OSCs的最佳结果之一。此外，该工作还表明，对于已经具有优异性能的NFAs，仅在原子水平上进行微小的结构调整是进一步提高OSCs光伏性能的有效方法。

图3.不同共混物的形貌表征

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文献总结

综上，该工作中为开发其它类型的高性能受体分子提供了新思路。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上，题为“Atomic Optimization on Pyran-Fused Nonfullerene Acceptor Enables Organic Solar Cells With an Efficiency Approaching 16% and Reduced Energy Loss”。

本文关键词：有机太阳能电池，非富勒烯受体，原子优化，结构设计，形貌调节。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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