本研究由中科院化研所侯劍輝團隊設計并合成了四種非富勒烯受體（NFA）材料：ITC9-4F、ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I，通過在末端基團引入不同鹵素取代基。研究了這些NFA在有機太陽能電池（OSCs）中的光伏性質。計算結果顯示材料表面靜電勢相似，但原子半徑隨鹵素變化。光電性能分析表明鹵素取代基影響吸收光譜和分子能級。ITC9-4F表現(xiàn)出藍移吸收光譜和較低消光系數(shù)。在OSCs中，ITC9-4F基電池顯示高開路電壓（Voc）但較低功率轉換效率（PCE）。ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I基OSCs顯示相近PCE，Voc逐漸增加，填充因子減小。4F到4I基電池中，陷阱輔助復合加劇，能量損失減少。這些發(fā)現(xiàn)突顯了鹵素NFA在OSCs中的潛力。

OSCs因其輕質、靈活和簡易加工等優(yōu)勢備受關注。近年來，隨著非富勒烯受體（NFAs）的發(fā)展，OSCs的功率轉換效率顯著提高，超過20%。NFAs作為OSCs電子受體具有可調吸收光譜、分子能級和排列等優(yōu)勢。其中，NFAs端基鹵素化被證明是改善光伏特性的有效方法。

在受體-給體-受體（A-D-A）結構的NFA分子中，端基鹵素化具有多重作用：增強電子親和力，促進分子內電荷轉移，降低帶隙；加強分子間相互作用，改善結晶性和載流子遷移；增加偶極矩變化，降低激子結合能，實現(xiàn)高效激子解離。不同鹵素從氟到碘，電負性降低，原子半徑增大。氟和氯可避免立體位阻，溴和碘則易于極化，加強分子間相互作用，優(yōu)化電荷傳輸。

然而，關于溴和碘原子引入NFAs端基的研究仍不充分。

本研究DOI:10.1039/D4QM00648H

研究程序要點歸納

在研究過程中，各種實驗手法的重要性取決于它們在理解和評估非富勒烯受體（NFAs）在光伏應用中的溴化效應所扮演的角色。以下是根據(jù)論文及補充資料統(tǒng)整后，對研究過程中使用的手法依其重要性進行的排序：

1.    合成與純化：這是研究的基礎，因為沒有合成的材料就無法進行后續(xù)的表征和測試。研究人員設計并合成了四種非富勒烯受體（NFA）材料，分別是ITC9-4F、ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I。這些材料的設計是為了研究不同鹵素取代基對光電特性的直接影響。

2.    光伏特性測試：理解材料的化學和物理性質對于評估其在光伏應用中的性能至關重要。系統(tǒng)地研究這些NFA的光伏特性，包括包括開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率轉換效率（PCE）為評估材料性能的關鍵。

3.    裝置制造：這是將材料轉化為實際應用的關鍵步驟。文檔中描述了聚合物太陽能電池的制作過程，包括ITO玻璃的清潔、PEDOT層的旋涂、活性層的制備和熱處理、PDINN層的旋涂和Ag層的蒸發(fā)。

4.    裝置表征與測量：這一步驟用于評估太陽能電池的性能，包括J-V測量、EQE測試、photo-CELIV測量、敏感EQE測量、EL量子效率測量和電子遷移率的測量。

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5.    DFT計算：理論計算提供了對材料電子結構和性質的深入理解。文檔中提到了使用Gaussian 09進行DFT計算的分子幾何優(yōu)化方法。

上述記載于研究論文中的手法，對于研究非富勒烯受體在光伏應用中的溴化效應都是必要的，并且它們的重要性是相互依賴的。

鹵代A-D-A型NFAs 新型光伏材料的有效策略

近期研究表明，溴取代NFAs可能表現(xiàn)出與氟和氯相似或更優(yōu)的光伏性能。例如，Self-assembled interlayer enables high-performance organic photovoltaics with power conversion efficiency exceeding 20% 研究顯示鹵素化NFAs結晶性隨原子量增加而增強，提高OSCs電荷傳輸和PCE。

或是提出溴化NFA表現(xiàn)出高度有序堆疊和更高電荷遷移率。該研究團隊報道的四碘取代NFA（BO-4I）因碘原子特性獲得顯著激子擴散長度，降低OSCs非輻射能量損失。

研究人員將取代為4F-、4Cl-、4Br-和4I-的電子受體，即ITC9-4F、ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I，進行設計并合成。這四種新型非全芳烴（NFAs）在有機太陽能電池中的應用基礎上，其光伏特性已經(jīng)得到系統(tǒng)地研究。結果顯示，氟原子的最小原子半徑限制了ITC9-4F中π-電子的電子共軛作用，導致其輕微的藍移吸收譜、較低的吸收系數(shù)和與其他鹵素取代基相比明顯不同的光伏特性。除此之外，基于四個有機太陽能電池的再結合機制分析表明，陷阱輔助再結合變得越來越嚴重，而能量損失呈逐漸減少的趨勢在4F-、4Cl-、4Br-和4I-基礍的電池中表示。因此，基于ITC9-4Cl、ITC9-4Br和ITC9-4I的有機太陽能電池分別展現(xiàn)出14.6%、14.1%和14.6%的可比轉換效率（PCE），并且逐漸提高的開路電壓（VOC）和降低的填充因子（FF）值。這些結果證明了鹵代A-D-A型NFAs在有機太陽能電池應用中的可行性，并突顯其作為設計新型光伏材料的有效策略。

文獻參考自Materials Chemistry Frontiers 6 Sep._DOI:10.1039/D4QM00648H

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