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烷基侧链依赖的小分子自组装及其在高性能有机和钙钛矿太阳能电池中的应用
摘要： 有机半导体的分子自组装行为主要受结构设计、成膜工艺及器件构型影响，是实现高性能有机光伏（OPVs）和钙钛矿太阳能电池（PvSCs）的关键因素之一。本研究通过烷基侧链工程新合成并开发了强自组装特性的小分子材料。将噻吩基团上的"H"替换为"C6H13"后，SM2分子呈现出高度有序的面朝上取向排列。得益于这种促进电荷载流子动力学（包括增强电荷转移/传输及抑制复合）的自组装优势，基于SM2的OPVs和PvSCs器件性能较未引入己基侧链的SM1器件显著提升。当采用SM2作为小分子给体及空穴传输层（HTL）时，基于富勒烯的OPV器件和平面型PvSC分别实现了创纪录的9.38%和20.56%光电转换效率，而基于SM1的对应器件效率仅为8.70%和15.37%。值得注意的是，未掺杂SM2空穴传输层的平面PvSC不仅保持相当效率，其耐热湿稳定性更优于掺杂型spiro-OMeTAD器件。这些结果表明：具有高度有序自组装特性的SM2分子，有望成为未来高性能有机及无机-有机杂化电子器件的重要有机半导体材料。
关键词： 小分子、有机光伏、烷基侧链、自组装、钙钛矿太阳能电池
更新于2025-09-23 15:19:57
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半导体聚合物中异常长程烷基侧链有序化与主链有序化的竞争及其对电子和光电子性能的影响
摘要： 分子内和分子间有序性对半导体聚合物的电学及光电子学性能具有重要影响。尽管已有大量研究，烷基侧链与共轭主链的有序性关联机制尚未完全阐明。本研究通过独特的光谱与衍射特征，在六种代表性半导体聚合物中发现了高度有序的烷基侧链相。该侧链有序相展现出异常大的相干长度（≥70纳米），会引发主链扭转/扭曲无序，并形成垂直多层纳米结构——有序侧链层与无序主链层交替排列。通过模型体系聚{4-(5-(4,8-双(3-丁基壬基)-6-甲基苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩-2-基)噻吩-2-基)-2-(2-丁基辛基)-5,6-二氟-7-(5-甲基噻吩-2-基)-2H-苯并[d][1,2,3]三唑}(PBnDT-FTAZ)的热力学分析与原位变温散射测量，清晰揭示了这种阻碍两个结构单元同时实现长程有序的竞争关系。长程侧链有序相可作为瞬态状态加以利用，从而制备出具有非典型边缘取向织构且场效应晶体管迁移率提升2.5倍的PBnDT-FTAZ薄膜。观测到的结构单元间有序性影响表明：优化分子设计可产生协同而非破坏性的有序效应。鉴于所观察到的巨大侧链相干长度，此类协同有序应能显著提升主链有序的相干长度，进而改善电荷传输、激子扩散长度等电学与光电子学性能。
关键词： 半导体聚合物、有机电子学、聚合物晶体、分子设计、烷基侧链
更新于2025-09-04 15:30:14