UCLA杨阳最新ACS Nano：有机光伏明星分子Y6的前世今生

发布时间：2024-12-19 06:03

2019年，有机光伏领域诞生了一个名为Y6的受体小分子，该工作迅速引起了整个有机光伏领域的关注。该工作发表在知名能源期刊《Joule》上面（详细解读：新纪录：单结有机太阳能电池光电转换效率突破15%!），论文第一作者为中南大学2015级博士生袁俊，邹应萍教授为论文通讯作者。

2021年，UCLA杨阳教授在AM上发表题为“Near-infrared Materials: The Turning Point of Organic Photovoltaics”综述性文章，明确指出对于Y系列分子（Y1、Y2、Y3和Y6）具有原初设计权。

AM原文截图

2021年12月1日，中南大学邹应萍在公众号上作出回应，对于Y6拥有独立设计权。

来源：邹应萍课题组公众号

2021年12月2日，杨阳教授在《ACS Nano》上面发表了这篇文章，详细说明了Y6分子设计的始末。

自2019年以来，由于新发明的Y系列非富勒烯受体(Y-NFAs；主要是Y1~Y6)，有机光伏的能量转换效率从13%急剧上升至19%。然而，对这些分子背后的设计原理的全面见解尚未在文献中完全阐明或解释。在这个角度，我分享我们对Y1到Y6的理解、预测和设计原则的原初见解，并提供了Y-NFAs发现背后的简要历史。

有机光伏(OPVs)最近已成为最有前途的第三代光伏候选产品之一。新型近红外(NIR)材料的应用极大地有助于将OPV的能量转换效率(PCEs)从5%提高到19%。我们小组于2007年开始了近红外吸收有机材料的研究。不久之后，我们生产了两种P型聚合物给体材料PSBT-BT和PDTP-DFBT。2013年，我们制作了一个标志性的OPV电池，其认证的PCE超过了10%，这引起了科学界对OPV材料研究的巨大兴趣。

尽管性能大大提高，但还需要设计更好的分子来进一步捕获NIR的吸收。2012年，非富勒烯受体(NFAs)的发现标志着OPV研究的一个转折点。2015年，占肖卫团队报道了一个NFA，即ITIC，实现了11.21%的PCE。两年后，邹应萍团队引进了一个名为BZIC的NFA，其氮原子取代的核，具有红移的吸收曲线。第二年，我们的小组努力探索NIR受体材料。这一举动标志着Y系列非富勒烯受体(Y-NFAs)的诞生，一系列具有窄带隙和吸收窗口位于NIR区域内的高性能有机受体。

结合ITIC和BZIC的好处，我们团队发明了突破性的Y-NFAs，包括Y1、Y3和Y6(Y是Yang的缩写)。这些分子在OPV器件中的高性能引起了科学界的极大兴趣，特别是对Y6。然而，关于Y-NFAs的设计原则，人们已经提出了一些问题。特别是，构成我们设计Y-NFAs的分子见解以前没有发表过。在这个视角，我分享这些 NFA 分子的开发和改进背后的原初设计原则，以使更广泛的研究社群受益。

原初设计原则

2015年，ITIC的出现激发了OPV研究去探索NIR NFAs的潜力。随后，BZIC吸引了我们小组的兴趣，尽管它的性能不明确，我们将其归因于给体材料不匹配。重要的是，我们注意到BZIC吸收了更多的红外光，但其共轭长度比ITIC要短。我们假设，相比于ITIC的sp3-C，sp2-N的插入会增加共轭的程度，应该会导致更好的π电子离域，从而增强分子内电荷转移(ICT)效应，红移吸光度（注：BZIC的优点）。通常，扩展共轭也是一种很有前途的策略来促进ICT效应，以实现更多的红移吸收（注：ITIC的优点）。同时，大的芳香侧链可以增强空间位阻，可能破坏分子间的堆积，导致迁移率降低和形貌较差（注：ITIC的缺点）。在此，（注：结合ITIC和BZIC的优点获得了Y1）通过结合ITIC中的扩展共轭中心单元和BZIC中的sp2-N（获得更多的红移吸收），同时保持较小的烷基侧链，以获得更好的形貌和流动性。我们团队设计并报道了开启Y-NFA系列的祖分子（第一个分子），即Y1，其吸收带边长达910 nm，并获得了12.6%的认证PCE记录。

（注：Y1基础上，我们为什么要设计Y3）在这项工作之后，我们的目标是确定更有效的策略来进一步修改Y1，以捕获更多的红外光。氟化策略是一种改变材料特性和性能的著名的策略。一般来说，（注：引入F原子的好处）氟(F)原子的加入会导致额外的分子间相互作用，如分子间或分子内的氢键或卤素键，从而改善分子的填充和形态。此外，由于F原子的电负性可以增强ICT效应，因此吸收可能更红移。因此，我们使用氟化法进一步修饰Y1，以捕获更多的红外光，改善共混形貌。为此，我们成功地创建了Y3，由于在Y1的端基上添加了4个F原子，其吸收带边缘扩大，可达953 nm。该分子工程策略使PCE从13.4%(Y1)增加到14.8%(Y3)，填充因子(FF)从69.1%增加到71.2%，说明Y3的形貌和流动性均优于Y1。

（注：Y3溶解度出问题了！溶解度差带来形貌的问题（有机光伏是共混异质结，溶解度差导致共混性差，成为限制PCE的重要因素）Y1和Y3的成功进一步鼓励了我们追求创新的Y-NFA。在我们的Y-NFAs开发的器件制造期间，我们注意到，由于分子间聚集情况恶化，IC（1,1-二氰甲基-3-茚酮）基团从Y1到Y3的氟化显著限制了其溶解度。具体来说，我们观察到Y3基薄膜在高浓度下结晶域的聚集。如图1所示，原子力显微镜(AFM)显示，Y1和Y3在与给体聚合物混合时均表现出针状形态。然而，Y3的结构域分布相对较差，这表明形貌是限制PCE进一步增强的关键约束因素。这一发现促使我们探索应对这一挑战的策略。（注：办法来了，杂原子策略！，S原子替代N原子）传统上，杂原子策略，如氮(N)或硫(S)的引入，是控制OPV膜形貌的一些最有效的方法。与N原子相比，S原子不仅提供了额外的分子间S−S和S−π相互作用，而且具有更多未占据的d轨道，这提高了材料的电子接受能力，同时也调节能级。因此，用S原子代替N原子是解决Y3形貌问题的可行解决方案。基于我们在探索NIR给体(如PSBT-BT和PDTP-DFBT)方面的丰富经验，我们发现苯并噻二唑(BT)单位是进一步修饰的理想选择。然而，（注：在苯并噻二唑(BT)上面）S原子的加入减少了侧链的数量，从而降低了溶解度。根据这一观察结果，我们设计了一种在噻吩β位点插入两个线性侧链的策略。这种变化不仅改善了分子的对称性，而且增加了侧链的数量，从而获得了更好的溶解度和在高浓度下溶解晶体结构域聚集物的能力。因此，我们团队基于上述设计原则创建了Y6。通过AFM观察到，与Y1和Y3相比，Y6表现出优越的形貌，结构域分布更加均匀。这种设计的最终PCE从14.8%(Y3)提高到15.7%(Y6)，FF从Y3的71.2%增加到Y6的惊人的74.8%。Y6的成功证实了我们的设计原则的有效性。

展望

（注：提出更多拓展Y系列分子的策略）Y-NFAs的里程碑式创新，从Y1开始，已经被证明是OPV领域的一个转折点，并对近年来出现的PCE峰值做出了巨大贡献。然而，该领域还需要探索新的Y-NFAs以取得进一步进展。在这里，我提出了一些额外的可能性，以设计更高效的Y-NFA，基于修改的Y1。通过引入sp2杂化杂原子或插入π桥，可以进一步增强离域的π共轭。此外，不同位置和不同化学结构的侧链工程可以优化活性层的形貌。考虑到基于Y-NFAs的OPV所实现的高器件性能，Y1的结构修饰将产生许多新的受体分子，具有潜在的高性能。中心受体单元的电子接受能力可以通过改变相应的结构来调整，从而用于ICT效应的精确调整。然而，增加两侧的共轭可以增强核的给电子能力。基于杂原子不同的电负性和核的给电子能力，可以通过引入异质原子来调节受体的光电特性原子，如Se、O或N。IC及其衍生物是常用的端基。通过用其他芳香功能或功能化苯环取代苯环来改变IC结构，会引起吸收的变化。例如，在苯环上加入甲基等给电基团或用噻吩取代苯环，会削弱端基的吸电子能力。其他类型的削弱给电子能力的端基也可以用来实现蓝移吸收，如罗丹宁。在核结构和端基之间引入π桥不仅可以扩展共轭，而且可以由于其不同的电子性质而改变ICT效应。缺电子单元如苯并噻二唑 (BT) 或富电子单元如被烷氧基取代的噻吩将作为典型的 π 桥影响 ICT 效应。具有醌化效应的单元，如噻吩(TbT)，可以增强醌化共振，使芳香基电子态不稳定，增强ICT效应。侧链工程是分子堆积和确定光伏材料形貌的关键。对于基于Y1的受体，有两个可用的位点可以引入侧链：sp2杂化的杂原子或噻吩的β位置。侧链的性质，如几何形状、极性或共轭，也会引起分子的组装发生重大变化。

这些提出的策略是基于我们在设备工程方面无与伦比的专业知识，并结合我们所发现的在合成化学方面的创新设计原则。最初是一个令人兴奋的NFA，现在已经成为广泛学科的科学家努力的焦点。我预计，驱动Y-NFAs设计的潜在逻辑不仅对OPV领域，而且对更广泛的科学界也有价值。

致谢

作者感谢阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）太阳能中心的Craig Combe博士（注：关键人物）。在作者的一次讲座中，他提出了关于Y6的起源和Y-NFAs的基本设计原则的关键问题。他的问题促使我们揭示了激发Y-NFAs(主要是Y1到Y6)理性设计的批判性思维。我们真诚地希望，分享这些知识将会引起广泛的科学界的兴趣。（注：天时、地利、人和）Y-NFAs的发现是只有在正确的时间和正确的地点聚集适当人员的共同努力和专业知识下才能完成的。因此，我们的团队成功地结合了每个成员的个人专业知识，并创造了Y-NFAs的遗产，这导致了OPV领域最近的一系列PCE突破。Y-NFAs研究由美国空军科学研究办公室(AFOSR)资助FA2386-18-1-4094。

来源：高分子科学前沿

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