一直以來，有機太陽能電池（OSCs）因其具有重量輕、靈活性強、柔性高、成本低、可大面積製備等優點，成為目前太陽能電池研究領域的熱點。開發高效能，環保型OSCs一直是相關研究人員不懈追求的目標，隨著非富勒烯受體分子（NFAs）的出現，OSCs的光電轉換效率（PCE）現已超過18%，這一數值接近商業化應用。NFAs與傳統的富勒烯受體相比顯示出更大的優勢，包括更容易合成和純化、對太陽光吸收範圍廣、易改性分子結構和可調電子能等等。NFAs的端基鹵化是一種常用策略主要用於調整分子能級和光學帶隙，因此為了增強分子紅移吸收能力以及改進電荷轉移，研究人員多使用端基氟化和氯化的方法，然而溴化目前受到的關注則較少。事實上，溴化成本低、合成簡單、操作方便，而且也利於後續反應的修飾，對合成高效能NFAs具有重要作用。

為了系統地研究NFAs的端基氟化，氯化以及溴化對OSCs效能的影響，近日，南方科技大學何鳳教授研究團隊設計併合成了一系列的NFAs：BTIC-4EO-4F、BTIC-4EO-4Cl和BTIC-4EO-4Br。三個NFAs均以熔合苯並噻二唑單元為核心，氟化，氯化和溴化的端基作為末端單元。研究結果表明，端基鹵化能有效增強分子內電子轉移，同時拓寬分子的吸收光譜，從而使得最終的分子具有窄帶隙和高電子遷移率。研究人員還發現，由於溴原子更能增強分子內電荷轉移能力，因此BTIC-4EO-4Br相比於BTIC-4EO-4F和BTIC-4EO-4Cl，表現出更低的LUMO能級，更小的帶隙和更強的分子間相互作用。

研究人員隨後將三種NFAs與聚合物給體PBDB-TF共混製備了三種OSCs器件，並分別測試了相應的光伏效能。結果顯示，基於PBDB-TF：BTIC-4EO-4F的OSC器件的PCE為10.64%，開路電壓（VOC）為0.77 V，短路電流密度（JSC）為20.01 mA cm−2。由於BTIC-4EO-4Cl光譜吸收的紅移，基於PBDB-TF：BTIC-4EO-4Cl的OSC器件的PCE有所增加，為11.29%，VOC，JSC也分別增加到0.78 V和20.59 mA cm−2。然而，基於PBDB-TF：BTIC-4EO-4Br的OSC器件由於大大改善了VOC（0.84 V）和JSC（22.78 mA cm−2），同時具有最小的能量損失，因此PCE達到了最高值為12.41%。此外，該器件共混膜顯示出更優異的相分離尺寸，高度有序的結構以及更結實的堆疊層。

總之，這項研究不僅表明端基溴化是一種增強NFAs的電荷轉移能力以及提高最終OSCs光伏效能的有效策略，還為後續相關NFAs效能改進提供了新思路。相關研究成果現已發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，題為“Effects of Halogenated End Groups on the Performance of Nonfullerene Acceptors”。

文獻連結：https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c17598

文中所涉及材料：

PBDB-TF（PM6):1802013-83-7，IC2F：2083617-82-5，IC2Cl：2197167-50-1，IC2Br