電子受體小分子具有較長的激子壽命和較窄的能帶隙，與能量隙定律相反，是高性能有機光伏電池(OPVs)高效光捕獲能力(LH)、激子擴散(ED)和電荷轉(zhuǎn)移(CT)的理想選擇。為此，我們設(shè)計了一種受體-供體-受體(A-D-A)型非富勒烯受體(NFA)，即TACIC，其中心是一個供電子、自組裝的二維(2D)納米石墨烯單元，硫雜氮雜壬基，兩端是吸電子基團。TACIC膜顯示出窄帶隙(1.59 eV)和出色的LH。令人驚訝的是，TACIC膜顯示出極長的激子壽命(1.59 ns)，通過其獨特的自組裝行為抑制了不良的非輻射衰減。當與共軛聚合物供體結(jié)合時，由于TACIC結(jié)構(gòu)域尺寸大，在TACIC激發(fā)下觀察到PBDB-T，慢速ED和CT(60 ps)。盡管如此，由于TACIC激子壽命長，ED和CT的效率異常高(總計96%)。此外，從激發(fā)的PBDB-T到TACIC發(fā)現(xiàn)了異常的能量轉(zhuǎn)移(EnT)，表明了其雙重LH起了作用。具有PBDB-T和TACIC的OPV器件在高達710 nm處顯示出超過70%的高入射光子電流效率(IPCE)，功率轉(zhuǎn)換效率約為10%。該結(jié)果將為OPV的合理策略開辟途徑，其中可以通過使用2D納米石墨烯作為構(gòu)建基材，以更好地設(shè)計受體側(cè)的LH，ED和CT以及供體側(cè)的LH，EnT，ED和CT 用于高性能A-D-A型NFA模塊。
Fig. 1 TACIC、PBDB-T、ITIC的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
Fig. 2 (a) TACIC和ITIC在氯仿中的UV-vis-NIR吸收光譜。(b)通過差分脈沖伏安法估算的PBDB-T，TACIC和ITIC的HOMO和LUMO能級。
Fig. 3 (a) TACIC在氯仿中的瞬時吸收光譜為0-500ps，(b) TACIC薄膜的瞬時吸收光譜為0-1000ps。
Fig. 4 (a)性能最佳的OPV器件的電流密度-電壓曲線和(b)基于PBDB-T典型OPV器件的光電流作用譜:TACIC和PBDB-T:ITIC。
Fig. 5 (a) PBDB-T:TACIC和(b) PBDB-T:ITIC共混膜在0-2500 ps范圍內(nèi)的瞬態(tài)吸收光譜。
相關(guān)研究成果于2020年由日本京都大學(xué)Hiroshi Imahori課題組，發(fā)表在Chem. Sci. (DOI: 10.1039/c9sc06456g)上。原文：Efficient light-harvesting, energy migration, and charge transfer by nanographene-based nonfullerene small-molecule acceptors exhibiting unusually long excited-state lifetime in the film state。
