一直以来，有机太阳能电池（OSCs）因其具有重量轻、灵活性强、柔性高、成本低、可大面积制备等优点，成为目前太阳能电池研究领域的热点。开发高性能，环保型OSCs一直是相关研究人员不懈追求的目标，随着非富勒烯受体分子（NFAs）的出现，OSCs的光电转换效率（PCE）现已超过18%，这一数值接近商业化应用。NFAs与传统的富勒烯受体相比显示出更大的优势，包括更容易合成和纯化、对太阳光吸收范围广、易改性分子结构和可调电子能等等。NFAs的端基卤化是一种常用策略主要用于调整分子能级和光学带隙，因此为了增强分子红移吸收能力以及改进电荷转移，研究人员多使用端基氟化和氯化的方法，然而溴化目前受到的关注则较少。事实上，溴化成本低、合成简单、操作方便，而且也利于后续反应的修饰，对合成高性能NFAs具有重要作用。
为了系统地研究NFAs的端基氟化，氯化以及溴化对OSCs性能的影响，近日，南方科技大学何凤教授研究团队设计并合成了一系列的NFAs：BTIC-4EO-4F、BTIC-4EO-4Cl和BTIC-4EO-4Br。三个NFAs均以熔合苯并噻二唑单元为核心，氟化，氯化和溴化的端基作为末端单元。研究结果表明，端基卤化能有效增强分子内电子转移，同时拓宽分子的吸收光谱，从而使得最终的分子具有窄带隙和高电子迁移率。研究人员还发现，由于溴原子更能增强分子内电荷转移能力，因此BTIC-4EO-4Br相比于BTIC-4EO-4F和BTIC-4EO-4Cl，表现出更低的LUMO能级，更小的带隙和更强的分子间相互作用。
研究人员随后将三种NFAs与聚合物给体PBDB-TF共混制备了三种OSCs器件，并分别测试了相应的光伏性能。结果显示，基于PBDB-TF：BTIC-4EO-4F的OSC器件的PCE为10.64%，开路电压（VOC）为0.77 V，短路电流密度（JSC）为20.01 mA cm−2。由于BTIC-4EO-4Cl光谱吸收的红移，基于PBDB-TF：BTIC-4EO-4Cl的OSC器件的PCE有所增加，为11.29%，VOC，JSC也分别增加到0.78 V和20.59 mA cm−2。然而，基于PBDB-TF：BTIC-4EO-4Br的OSC器件由于大大改善了VOC（0.84 V）和JSC（22.78 mA cm−2），同时具有最小的能量损失，因此PCE达到了最高值为12.41%。此外，该器件共混膜显示出更优异的相分离尺寸，高度有序的结构以及更结实的堆叠层。
总之，这项研究不仅表明端基溴化是一种增强NFAs的电荷转移能力以及提高最终OSCs光伏性能的有效策略，还为后续相关NFAs性能改进提供了新思路。相关研究成果现已发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上，题为“Effects of Halogenated End Groups on the Performance of Nonfullerene Acceptors”。
文献链接：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