用于有机太阳能电池和场效应晶体管的含苯并咪唑的A-DA'D-A型受体的侧链工程

《Journal of the Chinese Chemical Society》：Side-chain engineering of benzimidazole-incorporated A-DA'D-A type acceptors for organic solar cells and field-effect transistors

有机非富勒烯受体（NFAs）IM-H、IM-M、IM-EH通过苯并咪唑（BIm）核心的C2侧链工程（H、甲基、乙基己基）设计，系统调控了光吸收和能级排列。IM-M与PM6聚合物在BHJ器件中实现最高PCE 10.09%，源于其最优的分子间相互作用和电荷分离效率。进一步采用平面混合异质结（PMHJ）结构，IM-M器件的PCE提升至12.68%，伴随电荷收集效率增强和复合过程抑制。IM-M还展现出ambipolar OFET特性，电子/空穴迁移率分别为0.028和0.024 cm2/Vs。研究证实侧链长度对分子 packing、能级对齐及器件性能的关键调控作用。

　　在有机光伏（OPV）领域，研究者们一直在探索如何通过分子设计和材料优化来提升太阳能电池的性能。非富勒烯受体（NFAs）因其在光吸收范围、能量级匹配以及稳定性等方面的优势，成为近年来OPV领域的研究热点。本研究聚焦于一类基于苯并咪唑（BIm）的A-DA'D-A型非富勒烯受体，通过在咪唑核心的C2位引入不同长度的侧链（氢、甲基、2-乙基己基），设计并合成出三种新型受体材料IM-H、IM-M和IM-EH。这些材料在光吸收、电荷传输以及薄膜形态等方面展现出显著的性能差异，从而影响了太阳能电池的整体效率。

在设计过程中，研究团队采用了侧链工程策略，以调控受体分子的光物理和电化学性质。通过引入不同长度的侧链，他们成功地改变了材料的吸收光谱，使得IM-M和IM-EH在溶液和薄膜状态下表现出更长波长的吸收特性。这种吸收波长的红移现象可能与分子内部的电荷转移（ICT）效应增强有关，因为较长的侧链能够促进分子间的相互作用，从而增强ICT效应。然而，侧链长度并非越长越好，研究表明，IM-M在PM6聚合物中的相容性最佳，这使得其在非富勒烯受体中表现出最优的性能。

在实际应用中，IM-M作为受体材料与PM6聚合物组成的非富勒烯受体-给体（NFA-D）体系，在标准的bulk heterojunction（BHJ）结构中实现了10.09%的光电转换效率（PCE）。这一效率的提升主要归因于其优异的相容性，以及由此带来的更高效的电荷传输和更少的电荷复合损失。在进一步优化薄膜结构后，研究团队采用了planar-mixed heterojunction（PMHJ）设计，即通过分层结构改善电荷分离和传输过程。在PMHJ结构中，PM6/IM-M器件的PCE进一步提升至12.68%，并且其填充因子（FF）从56.89%提升至66.27%。这种结构上的优化不仅提升了器件的性能，还为实现更高效率的有机光伏器件提供了新的思路。

为了进一步理解IM-M的性能优势，研究团队通过理论计算分析了其分子结构。密度泛函理论（DFT）计算表明，IM-M的分子结构具有高度共轭的特性，其分子平面性良好，且具有较高的偶极矩，这有助于降低电荷传输过程中的能垒，从而促进电荷分离。此外，IM-M的分子结构在空间上表现出一定的不对称性，这种不对称性可能有助于增强ICT效应，从而提升光吸收能力。同时，IM-M的HOMO和LUMO能级也呈现出合适的匹配，有利于电子和空穴的传输，进一步提升了器件的效率。

在实验研究中，研究团队还通过GIWAXS（掠入射广角X射线散射）技术分析了IM-M与PM6在薄膜状态下的分子排列和晶格结构。结果显示，IM-M与PM6的混合薄膜表现出较好的分子有序性，其π-π堆叠距离较短，且相关长度（correlation length）较高，这表明IM-M与PM6之间存在良好的相互作用，从而促进了电荷的有效传输和收集。相比之下，IM-EH由于较长的侧链，导致分子排列较为松散，π-π堆叠距离增大，这不仅影响了光吸收效率，还降低了电荷传输效率，最终导致其器件性能较差。

为了进一步验证IM-M在不同器件结构中的表现，研究团队还制备了有机场效应晶体管（OFET）器件，以评估其电荷传输特性。结果显示，IM-M不仅表现出n型电荷传输行为，还具有p型电荷传输能力，这表明其具有双极性电荷传输特性。这种特性使得IM-M在OFET器件中展现出较高的电子和空穴迁移率，分别为0.028 cm2 V?1 s?1和0.024 cm2 V?1 s?1。这一发现进一步强调了IM-M在有机电子器件中的多功能性，为未来的材料设计提供了新的方向。

此外，研究团队还通过接触角测量和Flory-Huggins相互作用参数（χ）分析了IM-M与PM6之间的相容性。结果显示，IM-M与PM6之间的相互作用参数最小，表明两者之间的相容性最好，这有助于形成更均匀的活性层结构，从而提升器件的性能。相比之下，IM-EH与PM6之间的相互作用参数较大，表明两者之间存在较大的相分离，这导致了较差的电荷传输和收集效率。

综上所述，本研究通过引入不同长度的侧链，成功设计并合成了一类新型的非富勒烯受体材料，并系统地评估了其在OPV和OFET器件中的性能。IM-M因其良好的相容性、高效的电荷传输能力以及优化的分子结构，表现出最佳的光电性能，特别是在PMHJ结构中，其器件效率达到了12.68%。这些结果不仅为高性能有机光伏材料的设计提供了理论依据，还展示了侧链工程在调控分子性质和器件性能方面的巨大潜力。未来，研究团队将继续探索如何通过进一步优化分子结构和器件设计，实现更高效率的有机光伏器件。