Angew. Chem. ：高性能四臂小分子受体

有机太阳电池因轻、薄、柔等优点备受关注，随着高性能小分子受体材料的不断涌现，电池效率已突破19%。小分子受体的传统设计思路是将两个缺电子端基与一个富电子核心相连组成双臂结构，分子间通过臂与臂之间的π-π堆积形成电子传输通道。近年来，多臂受体也吸引了很多研究兴趣，相较于双臂结构，多臂结构可提供更多分子间作用机会，有利于提高电子耦合和电荷传输能力，同时，多臂受体具备更大的共轭体系，易实现高的吸光能力。但是目前多臂受体的性能仍然远低于双臂受体。

近日，国家纳米科学中心丁黎明研究员、肖作研究员，联合中国科学技术大学王官武教授、电子科技大学郝锋教授，报道了一个四臂小分子受体4A-DFIC。基于4A-DFIC的二元和三元有机太阳电池分别获得了15.76%和18.60%的能量转化效率，这是目前基于多臂小分子受体电池的最高纪录。

作者的起始目标是想通过芳香二胺1与环己六酮进行缩合反应，生成具有一个螺旋桨形状的六臂核心单元6A，然后进一步通过6A合成六臂受体6A-DFIC，但他们发现该缩合反应并没有发生，而是意外得到了少量的氧化二聚的产物4A，作者认为环己六酮潜在的氧化能力促成了氧化二聚，随后他们发现用其他氧化剂如DDQ、MnO₂、氧气等均可实现该转化，在DDQ作为氧化剂的情况下，室温下就能将芳香二胺1以较高的产率转化为4A。对于该反应的机理，作者提出了一种分步的单电子转移反应机制。随后以4A为核心，作者合成了四臂受体4A-DFIC。

作者通过单晶解析明确了4A-DFIC的结构，其分子骨架由两个香蕉形子结构通过一个吡嗪单元共轭桥连，子结构共轭平面之间相互扭曲21°，该扭曲主要由外围并噻吩单元上的大位阻烷基侧链（2-丁基辛基）相互排斥造成。4A-DFIC的每一条臂都与相邻的四个分子进行有效的π-π堆积，从而形成一层类似“手拉手”的二维网络结构，每一层二维网络之间通过层层堆叠形成4A-DFIC的晶体。

作者以4A-DFIC为受体D18-Cl-B为给体制备了二元有机太阳电池，该二元电池实现了22.47 mA cm^-2的短路电流和15.76%的能量转换效率，远远超过之前报道的所有基于多臂受体的二元电池，作者认为之所以4A-DFIC能在电流和效率上实现飞跃，主要是缘于其优秀的吸光能力（吸光范围达900nm且吸光系数高）和电荷传输能力（电子迁移率媲美Y6类型受体）。为了进一步提高电池效率，作者制备了D18-Cl-B:4A-DFIC:N3三元电池，该三元体系具有更优的给/受体相分离尺度和活性层形貌，获得了18.60%的效率（经中国计量科学研究院认证效率达18.1%），这也是目前基于多臂小分子受体三元电池的最高效率。

该工作发展的四臂小分子受体4A-DFIC具有吸光范围广、吸光系数高、电子迁移率高的优点，在二元和三元有机太阳电池上分别实现了15.76%和18.60%的效率，充分展示了多臂小分子受体在有机光伏中的应用潜力。

论文信息

A 4-Arm Small Molecule Acceptor with High Photovoltaic Performance

Xianyi Meng, Mingjie Li, Ke Jin, Lixiu Zhang, Jie Sun, Prof. Wenhua Zhang, Prof. Chenyi Yi, Prof. Junliang Yang, Prof. Feng Hao, Prof. Guan-Wu Wang, Prof. Zuo Xiao, Prof. Liming Ding

文章的第一作者是国家纳米科学中心的博士研究生孟宪义和中国科学技术大学的博士生李明洁。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202207762

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关键词

化学

效率

领域

单元

小分子受体