具有长激子扩散长度的聚氟苯基喹喔啉衍生物受体用于高效薄膜/厚膜有机太阳能电池
Polyfluorophenyl quinoxaline derived acceptors with long exciton diffusion length for efficient thin-film/thick-film organic solar cells
文献摘要
设计具有长激子扩散长度（LD）和高电子迁移率的小分子受体（SMA）对于提升有机太阳能电池（OSC）的功率转换效率（PCE）至关重要。然而，大多数先进SMA有限的LD阻碍了它们在厚膜OSC中的实际应用。在此，我们通过调控氟原子数量，开发了四种具有无氟/氟化苯基取代喹喔啉核的SMA（命名为Yq-0F、Yq-2F、Yq-4F和Yq-6F）。其中，多氟苯基取代的Yq-4F表现出优异的三维网络晶体框架和有利的分子间堆积，与聚合物给体D18形成最佳共混形貌。因此，D18:Yq-4F体系实现了改善的载流子迁移率和抑制的电荷复合损失。 consequently，基于D18:Yq-4F的二元OSC提供了18.30%的PCE，超过了基于D18:Yq-0F（11.27%）、D18:Yq-2F（17.73%）和D18:Yq-6F（17.00%）的器件。当将Yq-4F作为客体引入D18:L8-BO主体以制备三元OSC时，PCE进一步提高至20.77%，为喹喔啉衍生SMA中报道的最高值。此外，具有约500 nm活性层厚度的三元D18:Yq-4F:BTP-eC9和D18:L8-BO:Yq-4F OSC提供了超过17%的令人印象深刻的PCE，在类似厚度的厚膜器件中名列前茅。这项工作为同时实现高效薄膜和厚膜OSC提供了一种有效的SMA设计策略。有机太阳能电池需要具有长激子扩散长度的受体分子，但大多数可用材料在厚膜中失效。作者设计了新的氟化喹喔啉受体，显著提高了载流子迁移率，从而在二元和三元器件中均获得了优异的效率。
英文摘要
Designing small-molecule acceptors (SMAs) with long exciton diffusion length (LD) and high electron mobility is vital for boosting power conversion efficiency (PCE) of organic solar cells (OSCs). However, the limited LD of most advanced SMAs hinders their practical applications in thick-film OSCs. Herein, we develop four SMAs (named Yq-0F, Yq-2F, Yq-4F, and Yq-6F) with fluorine-free/fluorinated phenyl-substituted quinoxaline cores by manipulating the number of fluorine atom. Among them, polyfluorophenyl-substituted Yq-4F exhibits superior 3D network crystal framework and favourable intermolecular packing, leading to optimal blend morphology with polymer donor D18. Therefore, D18:Yq-4F system achieves improved carrier mobilities and suppressed charge recombination loss. Consequently, the D18:Yq-4F based binary OSCs provide a PCE of 18.30%, surpassing these ones based on D18:Yq-0F (11.27%), D18:Yq-2F (17.73%), and D18:Yq-6F (17.00%). When introducing Yq-4F as a guest into D18:L8-BO host to fabricate ternary OSCs, the PCE further increases to 20.77%, as the highest reported value among quinoxaline-derived SMAs. Moreover, ternary D18:Yq-4F:BTP-eC9 and D18:L8-BO:Yq-4F OSCs with ~500 nm active layer thickness offer impressive PCEs of >17%, ranking among the top values for thick-film devices with similar thickness. This work offers an effective SMA design strategy for opening a path towards efficient thin-film and thick-film OSCs simultaneously. Organic solar cells need acceptor molecules with long exciton diffusion lengths, but most available materials fail in thick films. The authors design new fluorinated quinoxaline acceptors that significantly improve carrier mobilities resulting in superior efficiency in both binary and ternary devices.
解读
这篇论文在做什么
这篇论文针对有机太阳能电池小分子受体在厚膜中激子扩散长度不足的问题，设计并合成了四种以喹喔啉为核的受体材料：Yq-0F、Yq-2F、Yq-4F和Yq-6F，区别在于苯基取代基上氟原子的数目从0到6。作者的核心思路是通过氟化程度调控分子的结晶行为和分子间堆积。摘要指出，Yq-4F（多氟苯基取代）形成了优异的三维网络晶体框架和有利的分子间堆积，与聚合物给体D18共混后获得最佳形貌，从而改善了载流子迁移率并抑制了电荷复合损失。器件结果方面，二元D18:Yq-4F的PCE达到18.30%，高于Yq-0F的11.27%、Yq-2F的17.73%和Yq-6F的17.00%，说明氟原子数并非越多越好，4个氟时性能最优。将Yq-4F作为第三组分引入D18:L8-BO主体后，三元器件PCE进一步提升至20.77%，作者称这是喹喔啉衍生SMA中的最高报道值。此外，约500 nm厚活性层的三元器件（D18:Yq-4F:BTP-eC9和D18:L8-BO:Yq-4F）PCE超过17%，在类似厚度的厚膜器件中处于领先水平。摘要没有提供激子扩散长度的具体数值、电子迁移率的具体数值、薄膜形貌的表征手段（如AFM、GIWAXS）、器件制备条件或稳定性数据，这些细节需要查阅全文。
和这页课件的关系
这页课件讨论的是染料敏化与钙钛矿光伏材料，正文涉及材料可溶解性的分子设计策略（引入烷基链或烷氧基链、三苯胺基团、单键连接避免共轭双键）、叠层有机太阳能电池对宽/窄带隙子电池的吸收互补要求、以及材料能级设计规则（给受体LUMO能级差0.3～0.5 eV、给体HOMO低于-5.2 eV、选择噻吩或三苯胺等给电子单元），还引用了Yip和Jen关于界面材料与聚合物太阳电池稳定性的综述。这篇论文研究的喹喔啉小分子受体用于有机太阳能电池，与课件中的染料敏化或钙钛矿不是同一件事，也不是课件所举的例子。不过，两者在“有机太阳能电池材料设计”这一大方向上存在交集：课件强调通过分子结构调控溶解性和能级，论文则通过氟原子数目调控喹喔啉受体的结晶与堆积，都属于从分子结构出发优化光伏性能的思路。课件提到的叠层电池需要宽窄带隙子电池吸收互补，而论文的三元策略引入第三组分Yq-4F来拓展吸收和优化形貌，目标同样是提升光谱利用和效率，但论文没有使用“叠层”结构，而是三元共混，这一点需要区分。课件中关于HOMO/LUMO能级差和给电子单元选择的规则，论文摘要没有给出Yq系列的具体能级数值，因此无法直接对照。
读的时候抓住什么
阅读时首先抓住氟化程度与性能的非单调关系：从Yq-0F到Yq-4F，PCE从11.27%升至18.30%，但Yq-6F又降至17.00%，说明氟取代存在最优值，这与分子堆积和形貌的平衡有关。其次关注Yq-4F的三维网络晶体框架和有利分子间堆积如何带来载流子迁移率提升和电荷复合抑制，这是效率提高的机制链条。第三，注意三元策略的作用：将Yq-4F作为客体引入D18:L8-BO后PCE达到20.77%，说明第三组分可以进一步优化形貌和光谱利用。第四，厚膜器件（约500 nm）PCE超过17%是本文强调的实用化亮点，因为大多数SMA在厚膜中因激子扩散长度不足而性能下降。摘要没有说明激子扩散长度的具体测量方法和数值，也没有给出载流子迁移率的具体数字，阅读全文时应重点查找这些支撑数据。此外，摘要未提及器件稳定性、大面积制备或毒性溶剂等问题，这些是实际应用需要考虑但本文未涉及的内容。最后，将本文的分子设计策略与课件中提到的溶解性调控、能级设计规则联系起来，理解有机太阳能电池材料设计中结构-形貌-性能的关联，但不要将本文误认为课件中染料敏化或钙钛矿的实例。