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高效有机光伏材料的构建基石：后富勒烯ITIC体系中的分子、晶体与电子特性相互作用

DOI：10.1002/cphc.201900793 期刊：ChemPhysChem 出版年份：2019 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 精确的单晶X射线衍射数据为比较和对照体异质结光伏小分子受体结构与堆积的原子级细节提供了独特机会，同时也为计算电子结构和电荷传输分析奠定了重要基础。本文报道了能实现迄今最高效率有机太阳能电池的n型半导体——3,9-双(2-亚甲基-(3-(1,1-二氰亚甲基)-茚酮))-5,5,11,11-四(4-己基苯基)-二噻吩[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩(ITIC)及其七种衍生物（包括三种新晶体结构：3,9-双(2-亚甲基-(3-(1,1-二氰亚甲基)-茚酮))-5,5,11,11-四(4-丙基苯基)-二噻吩[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩(ITIC-C3)、3,9-双(2-亚甲基-(3-(1,1-二氰亚甲基)-茚酮))-5,5,11,11-四(3-己基苯基)-二噻吩[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩(m-ITIC-C6)和3,9-双(2-亚甲基-((3-(1,1-二氰亚甲基)-6,7-二氟)-茚酮))-5,5,11,11-四(4-丁基苯基)-二噻吩[2,3-d:2',3'-d']-s-茚并[1,2-b:5,6-b']二噻吩(ITIC-C4-4F)）的衍射晶体结构与计算分析。IDTT受体通常以π-π间距3.28-3.95 ?的面对面方式堆积，同时观察到S?π相互作用短至3.21-3.24 ?的边对面堆积。此外，ITIC端基种类和侧链取代基会影响非共价相互作用（如氢键、π-π）的性质与强度，从而与晶体堆积模式、电子结构和电荷传输性质相关联。密度泛函理论(DFT)计算揭示了较大的最近邻分子间π-π电子耦合(5.85-56.8 meV)，并将能带结构性质与单晶中的色散相互作用及核-端基极化效应相关联。总体而言，这项结合实验与理论的研究揭示了茚并二噻吩二噻吩(IDTT)受体晶体工程策略的关键见解，以及高效富勒烯后小分子受体的通用设计规则。
作者： Steven M. Swick，Tim Gebraad，Leighton Jones，Bo Fu，Thomas J. Aldrich，Kevin L. Kohlstedt，George C. Schatz，Antonio Facchetti，Tobin J. Marks
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研究目的

研究后富勒烯ITIC体系分子、晶体及电子特性以实现高效有机光伏。

研究成果

该研究详细揭示了IDTT受体分子的晶体工程策略及高效富勒烯后小分子受体的通用设计规则，阐明了端基结构与侧链取代基对堆积模式、电子结构及电荷传输性能的影响机制。结果表明，具有适中电子耦合值的面对面堆积方式有利于实现高性能有机太阳能电池。

研究不足

该研究的局限性在于：部分IDTT受体难以生长出具有衍射质量的晶体，以及将单晶结构与体异质结薄膜形貌相关联的复杂性。此外，计算模型可能无法完全捕捉实际器件条件下存在的动态无序性。

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