本研究由中科院化研所侯劍輝團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了四種非富勒烯受體（NFA）材料：ITC9-4F、ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I，通過在末端基團(tuán)引入不同鹵素取代基。研究了這些NFA在有機(jī)太陽能電池（OSCs）中的光伏性質(zhì)。計(jì)算結(jié)果顯示材料表面靜電勢(shì)相似，但原子半徑隨鹵素變化。光電性能分析表明鹵素取代基影響吸收光譜和分子能級(jí)。ITC9-4F表現(xiàn)出藍(lán)移吸收光譜和較低消光系數(shù)。在OSCs中，ITC9-4F基電池顯示高開路電壓（Voc）但較低功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I基OSCs顯示相近PCE，Voc逐漸增加，填充因子減小。4F到4I基電池中，陷阱輔助復(fù)合加劇，能量損失減少。這些發(fā)現(xiàn)突顯了鹵素NFA在OSCs中的潛力。

OSCs因其輕質(zhì)、靈活和簡(jiǎn)易加工等優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。近年來，隨著非富勒烯受體（NFAs）的發(fā)展，OSCs的功率轉(zhuǎn)換效率顯著提高，超過20%。NFAs作為OSCs電子受體具有可調(diào)吸收光譜、分子能級(jí)和排列等優(yōu)勢(shì)。其中，NFAs端基鹵素化被證明是改善光伏特性的有效方法。

在受體-給體-受體（A-D-A）結(jié)構(gòu)的NFA分子中，端基鹵素化具有多重作用：增強(qiáng)電子親和力，促進(jìn)分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，降低帶隙；加強(qiáng)分子間相互作用，改善結(jié)晶性和載流子遷移；增加偶極矩變化，降低激子結(jié)合能，實(shí)現(xiàn)高效激子解離。不同鹵素從氟到碘，電負(fù)性降低，原子半徑增大。氟和氯可避免立體位阻，溴和碘則易于極化，加強(qiáng)分子間相互作用，優(yōu)化電荷傳輸。

然而，關(guān)于溴和碘原子引入NFAs端基的研究仍不充分。

本研究DOI:10.1039/D4QM00648H

研究程序要點(diǎn)歸納

在研究過程中，各種實(shí)驗(yàn)手法的重要性取決于它們?cè)诶斫夂驮u(píng)估非富勒烯受體（NFAs）在光伏應(yīng)用中的溴化效應(yīng)所扮演的角色。以下是根據(jù)論文及補(bǔ)充資料統(tǒng)整后，對(duì)研究過程中使用的手法依其重要性進(jìn)行的排序：

1.    合成與純化：這是研究的基礎(chǔ)，因?yàn)闆]有合成的材料就無法進(jìn)行后續(xù)的表征和測(cè)試。研究人員設(shè)計(jì)并合成了四種非富勒烯受體（NFA）材料，分別是ITC9-4F、ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I。這些材料的設(shè)計(jì)是為了研究不同鹵素取代基對(duì)光電特性的直接影響。

2.    光伏特性測(cè)試：理解材料的化學(xué)和物理性質(zhì)對(duì)于評(píng)估其在光伏應(yīng)用中的性能至關(guān)重要。系統(tǒng)地研究這些NFA的光伏特性，包括包括開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）為評(píng)估材料性能的關(guān)鍵。

3.    裝置制造：這是將材料轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。文檔中描述了聚合物太陽能電池的制作過程，包括ITO玻璃的清潔、PEDOT層的旋涂、活性層的制備和熱處理、PDINN層的旋涂和Ag層的蒸發(fā)。

4.    裝置表征與測(cè)量：這一步驟用于評(píng)估太陽能電池的性能，包括J-V測(cè)量、EQE測(cè)試、photo-CELIV測(cè)量、敏感EQE測(cè)量、EL量子效率測(cè)量和電子遷移率的測(cè)量。

                          中科院化研所安裝光焱科技QE-R光伏 / 太陽能電池量子效率測(cè)量解決方案

5.    DFT計(jì)算：理論計(jì)算提供了對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的深入理解。文檔中提到了使用Gaussian 09進(jìn)行DFT計(jì)算的分子幾何優(yōu)化方法。

上述記載于研究論文中的手法，對(duì)于研究非富勒烯受體在光伏應(yīng)用中的溴化效應(yīng)都是必要的，并且它們的重要性是相互依賴的。

鹵代A-D-A型NFAs 新型光伏材料的有效策略

近期研究表明，溴取代NFAs可能表現(xiàn)出與氟和氯相似或更優(yōu)的光伏性能。例如，Self-assembled interlayer enables high-performance organic photovoltaics with power conversion efficiency exceeding 20% 研究顯示鹵素化NFAs結(jié)晶性隨原子量增加而增強(qiáng)，提高OSCs電荷傳輸和PCE。

或是提出溴化NFA表現(xiàn)出高度有序堆疊和更高電荷遷移率。該研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道的四碘取代NFA（BO-4I）因碘原子特性獲得顯著激子擴(kuò)散長(zhǎng)度，降低OSCs非輻射能量損失。

研究人員將取代為4F-、4Cl-、4Br-和4I-的電子受體，即ITC9-4F、ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I，進(jìn)行設(shè)計(jì)并合成。這四種新型非全芳烴（NFAs）在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用基礎(chǔ)上，其光伏特性已經(jīng)得到系統(tǒng)地研究。結(jié)果顯示，氟原子的最小原子半徑限制了ITC9-4F中π-電子的電子共軛作用，導(dǎo)致其輕微的藍(lán)移吸收譜、較低的吸收系數(shù)和與其他鹵素取代基相比明顯不同的光伏特性。除此之外，基于四個(gè)有機(jī)太陽能電池的再結(jié)合機(jī)制分析表明，陷阱輔助再結(jié)合變得越來越嚴(yán)重，而能量損失呈逐漸減少的趨勢(shì)在4F-、4Cl-、4Br-和4I-基礍的電池中表示。因此，基于ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I的有機(jī)太陽能電池分別展現(xiàn)出14.6%、14.1%和14.6%的可比轉(zhuǎn)換效率（PCE），并且逐漸提高的開路電壓（VOC）和降低的填充因子（FF）值。這些結(jié)果證明了鹵代A-D-A型NFAs在有機(jī)太陽能電池應(yīng)用中的可行性，并突顯其作為設(shè)計(jì)新型光伏材料的有效策略。

文獻(xiàn)參考自Materials Chemistry Frontiers 6 Sep._DOI:10.1039/D4QM00648H

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