二酮吡咯小分子光伏的卤化效应

【引言】

       有机太阳能电池具有成本低、体积小、重量轻、机械弹性好等优点，在可再生能源领域具有广阔的应用前景。由于新供体材料和界面层的快速发展，以及器件制造技术的进步，聚合物有机太阳能电池的功率转换效率显著提高，单节效率可达9%以上，串联器件的功率转换效率可达11%以上。与聚合物给体材料相比，可溶解加工的小分子已成为广泛研究的聚合物材料的一种有吸引力的替代品，它具有分子结构清晰、分子量确定、纯度较高和良好的批次重现性等独特的优点。

【成果介绍】

       Hao-Li Zhang等人设计合成了两个含有ZX二酮吡咯和两个低噻吩单元的分子。通过比较末端含有F原子（FDPP）和末端含有Cl原子（CDPP）的分子，我们可以评估卤化作用对小分子有机太阳能电池光伏性能的影响。在10 °C min^-1的升温速率下，使用Linseis的同步热分析仪STA PT 1600在氮气流中进行了热重分析。采用末端含有F原子的小分子有机太阳能电池器件，其膜的功率转换效率高达4.32%，说明氟化是构建小分子有机太阳能电池小分子的有效方法。

图文导读

图1.FDPP、CDPP和SMDPPEH的化学结构式

图2.FDPP、CDPP和SMDPPEH的（a）TGA曲线和（b）DSC曲线

图3.FDPP、CDPP和SMDPPEH在CHCl₃溶液和薄膜中的紫外吸收光谱，（b）不同处理的FDPP：PC₇₁BM共混膜的紫外吸收光谱

图4.不同处理的（a）CDPP：PC₇₁BM共混膜和（b）SMDPPEH：PC₇₁BM共混膜的紫外吸收光谱

图5.密度泛函理论计算的（a）FDPP、CDPP、SMDPPEH和PC₇₁BM的电子能级和（b）FDPP、CDPP、SMDPPEH的HOMO能级与LUMO能级的电子密度

图6.热退火后再进行溶剂蒸汽退火活动层的AFM图像：（a）FDPP，（b）CDPP，（c）SMDPPEH；扫描尺寸3μm×3μm

图7.三种含二酮基吡咯化合物的（a）纯空穴器件和（b）纯电子器件的电流电压特性

图8.以FDPP、CDPP、SMDPPEH为供体，PC₇₁BM为受体，经热退火后再进行溶剂蒸汽退火处理后的（a）电流密度电压曲线和（b）外量子效率曲线。

【结论】

       Hao-Li Zhang等人设计并合成了两种新型的可溶解可加工的有机异质结太阳能电池小分子。F原子或Cl原子取代对光学吸收和前沿轨道能级有相似的影响。然而，卤化作用对光电池的热性能、薄膜形貌和光电性能有显著影响。氟化分子FDPP具有较高的溶解度和较强的结晶倾向，以及较好的薄膜形貌，功率转换效率Z高为4.32%。但是氯化分子CDPP的热稳定性降低，溶解度降低，使得薄膜质量变差，导致器件性能较差。究表明，将氟原子引入小分子骨架的末端段，可以有效地提高异质结小分子有机太阳能电池的光伏性能。

附：

1、林赛斯同步热分析仪STA用于测定-150℃到2400℃样品的质量和热量随温度或时间变化的过程。性能优越，可搭载双炉体，

2、仪器可选配42位自动进样器，以及自动气体控制系统或真空控制系统，可在无人值守情况下长期工作。

雨后的清晨，玫瑰花瓣上带着晶莹剔透、珍珠般圆润的小露珠，微风吹过，玫瑰花宛如娇滴滴的少女，随风而动。仔细一看，上面的露珠还是稳稳当当在花瓣上，因此玫瑰花看起来总是水灵灵的，娇艳欲滴。

研究发现，在红玫瑰的花瓣上的表面有一个紧密的阵列上，许多纳米折叠存在于每个乳突顶部。这些分层的微纳米结构为超疏水提供了足够的粗糙度，但与水的附着力很高。这些花瓣表面的水滴是球形的，即使花瓣翻转过来也不会滚落。与我们所熟悉的“莲花效应”相比，这种现象被定义为“花瓣效应”。一般来说，粗糙表面上有两种超疏水状态：Wenzel状态和Cassie状态。前者表现为水与粗糙表面的润湿接触模式，水滴在表面形成高的接触角滞后。后者代表一个非润湿接触模式，由于低的接触角滞后水滴可以很容易地滚掉。

图1.(a，b)红玫瑰花瓣表面的扫描电镜照片，在每一个乳突上都有周期排列的微珠和纳米折叠上面的 (c) 花瓣表面水滴的形状，表明其超疏水性，接触角为152.4°。(d) 在花瓣表面上下颠倒时水滴的形状。

图1a展示了一个常见的在低真空下观察到的红玫瑰花瓣扫描电子显微照片，平均直径为16μm和高度为7μm的微乳突呈周期性排列。图1b中放大后的SEM图像清楚地显示了这些微孔在纳米尺度上表现出表皮褶皱规模，在每个顶部的宽度约730nm。这是通过织构来增强表面的疏水性。在自然界中，莲花的表面叶因其自清洁特性而闻 名，在两个长度范围内的粗糙度放大了内在的疏水效果。由于花瓣表面的微观和纳米结构，其表面也具有约152.4°的接触角的超疏水性（图1c）。然而，在表面微观结构的不同设计和荷叶和玫瑰花瓣的不同大小尺寸导致了不同的动态润湿。那就是，一样的体积的水滴可以毫不费力地从荷叶表面滚落，而它们却停留在红玫瑰花瓣的表面。水滴在花瓣的表面保持球形的形状，当表面是朝上的，甚至是倒置的（图1d）。

总结

总之，对花瓣效应的理解为我们提供了一个超疏水表面性质的例子，它对水具有高附着力，显示了不寻常的Cassie浸渍润湿状态。通过对花瓣微观结构的复制，可以人工制备具有良好结构的仿生聚合物薄膜。这不仅提高了我们对自然物种自净特性的理解，而且为涂料、功能纤维和装饰材料的设计提供了重要的见解。

文献引用

[1] .Wenzel, R.N.: Resistance of solid surfaces to wetting by water. Indust. Eng. Chem. 28, 988–994 (1936)

[2]  Cassie, A., Baxter, S.: Wettability of porous surfaces. Trans. Faraday Soc. 40, 546–551 (1944)

[3]  Feng, L., Zhang, Y., Xi, J., Zhu, Y., Wang, N., Xia, F., Jiang, L.: Petal effect: a superhydrophobic state with high adhesive force. Langmuir 24, 4114–4119 (2008)