基于NDI非稠环受体的设计合成及其光电性能研究.pdf

第 41 卷第 3 期何柏田，刘龙飞，林璇璇，等基于 NDI 非稠环受体的设计合成及其光电性能研究37基于 NDI 非稠环受体的设计合成及其光电性能研究何柏田1，刘龙飞2，林璇璇1，黄华秀1，肖曼军2（1.嘉应学院 化学与环境学院，广东 梅州 514015；2.湘潭大学 化学学院，湖南 湘潭 411105）摘要：聚合物太阳电池具有质轻，价廉，全固态等优点，在柔性电子器件中具有广泛的应用潜质.设计合成两种基于萘并酰亚胺单元的非稠环受体材料，分别命名为 SNDI-0F 和 SNDI-4F.相比于 SNDI-0F，SNDI-4F具有更高的吸收系数，更高激子解离速率和更合适的共混膜形貌.以 PM6 作为聚合物给体制备聚合物太阳电池，基于 PM6:SNDI-4F 的共混膜展现出更高的能量转换效率为 5.99%.研究结果表明，含萘并酰亚胺的非稠环受体在实现高性能的聚合物太阳电池具有巨大的潜质.关键词：聚合物太阳电池；萘并酰亚胺；非稠环受体；能量转换效率中图分类号：O611.2文献标识码：A文章编号：1006-642X(2023)03-0037-090 前言聚合物太阳电池由于其自身具有质量轻、柔性、可溶液加工等的优势获得越来越多的关注1-4.随着大量高效非富勒烯小分子受体的出现，实验室中最先进的单结和串联聚合物太阳能电池的能量转换效率分别超过了 19%和 17%5-6.在所有类型的非富勒烯小分子受体中，目前最杰出的材料以 A-D-A 结构（例如，IT-4F）和 A-DAD-A 结构（例如，Y6 系列受体）（其中 A 和 D 分别为吸电子部分和供电子部分）为代表的稠环受体材料7-10.但是，这些稠环受体材料的合成路线繁琐，制备成本昂贵，限制了聚合物太阳电池的商业化应用.因此，迫切需要新的设计思路以获取高性能、低成本的非富勒烯受体材料.一种可行的策略是开发 A-D-A(D.)-D-A 型的非稠环受体材料，这类材料不仅能够带来多样化的构筑单元，而且合成路线简单，成本低.相比于稠环受体材料，非稠环受体材料通常使用单键来连接相邻芳香族单元.由于相邻芳香族单元分子内的非共价键相互作用，如 FH，SO，SN 等作为构象锁增强分子共平面性，使得非稠环受体材料具有良好的光吸收和电荷传输特性11-14.目前，许多研究小组在选择中间核 A或者 D方面已经做了很多有意义的工作.例如，Chen 和合作者报道非稠环受体材料 DF-PCIC取得 10.14%的能量转换效率11；Bo 和合作者报道的具有 3D 网络堆积的非稠环受体材料 2 BTh-2 F 取得15.44%的能量转换效率12；Huang 等人报道的非稠环受体材料 BN-2F 通过扩大端基环获得 14.53%的能量转换效率13.然而，基于非稠环受体材料器件的能量转换效率仍然低于基于稠环受体材料器件，因此，如何合理地设计一个 A-D-A(D.)-D-A 受体以获得高性能的器件仍然具备挑战性.萘并酰亚胺（NDI）是一种很常见的缺电子单元，具有电负性强，载流子迁移率高等显著优点，是高性能电子受体的构筑单元之一.本文设计合成两种非稠环受体材料，SNDI-0F和SNDI-4F（如图 1所示），收稿日期：2023-01-28基金项目：广东省自然科学基金（2019A1515011141）作者简介：何柏田（1991-），男，广东梅州人，讲师，博士，主要研究方向：有机/聚合物太阳能电池.肖曼军（1990-），男，湖南湘潭人，讲师，博士，主要研究方向：有机光伏材料与器件.第 41 卷第 3 期2023 年 6 月Vol.41NO.3Jun.2023嘉应学院学报（自然科学）JOURNAL OF JIAYING UNIVERSITY(Natural Science)嘉应学院学报（自然科学）38以缺电子单元萘并酰亚胺作为受体材料的核，NDI 核心与相邻的噻吩单元之间的 SO 非共价相互作用能够为所得到的分子提供良好的平面性.供电子单元二噻吩吡咯不仅可以促进分子内电荷转移，还可以在桥接的 N 原子上引入侧链，以保证足够的溶解度，避免过度结晶.两种不同的吸电子端基 3-（二氰基亚甲基）靛酮或 5,6-二氟-3-（二氰基亚甲基）靛酮被引入来精细地调节固态分子的光电性质和微观结构.这两个非稠环受体材料表现出从可见波段到近红外波段范围内的宽吸收光谱.由于缺电子单元萘并酰亚胺的作用，两个非稠环受体材料都有较深的 HOMO 能级，其中 SNDI-4F 由于端基氟原子的作用，使其混合膜具有更高激子解离效率和更合适的活性层形貌.以 PM 6 作为给体进行太阳能电池的光伏特性表征，基于 PM6：SNDI-4F 取得 5.99%的能量转换效率.研究结果表明，NDI 单元在构筑非稠环受体材料中的应用对高效聚合物太阳电池材料的分子设计具有一定的借鉴意义.图 1聚合物给体 PM6，非稠环受体材料的结构式(a)和能级分布图(b)1 实验部分1.1 试剂与仪器单体 M1，M2，3-（二氰基亚甲基）靛酮，5,6-二氟-3-（二氰基亚甲基）靛酮，三氯甲烷，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，三氯氧磷，四（三苯基膦）钯 Pd（pph3）4均为商业化渠道购买所得.测试仪器如下：核磁共振 Bruker AVANCE 400 MHz spectrometer；质谱 Bruker Daltronik GmbH(autoflex II)；紫外可见吸收光谱 SHIMADZU UV-3600 spectrophotometer；电化学工作站 CHI 660A；原子力显微镜 Bruker Multimode 8Microscope；场发射透射电子显微镜 JEM-2 100 F；器件性能在太阳光模拟器 Enlitech(AM 1.5G)照射下，经 Keithley 2400 数字源表测得；外量子效率测试仪器为 QE-R 3001，Enlitech.第 41 卷第 3 期何柏田，刘龙飞，林璇璇，等基于 NDI 非稠环受体的设计合成及其光电性能研究391.2 实验过程1.2.1 化合物 M3 的合成将化合物 M1（1.33 g，1.34 mmol），化合物 M2（4.66 g，8.02 mmol）和四（三苯基磷）钯（0.13 g）加入到 250 mL 的三口瓶中，然后用氮气进行抽换气四次，最后用注射器将 DMF（40 mL）加入到反应瓶中.在 120 温度下反应时间约为 12 h，降至室温后直接倒入水中，用二氯甲烷萃取，有机相再用蒸馏水洗三次，加入无水硫酸镁干燥.最后过滤后将滤液旋干，剩余残余物通过硅胶柱色谱法（洗脱剂是石油醚：二氯甲烷=3:1）进行纯化，得到紫色固体化合物 M3，质量为 1.09 g，产率为 58%.1H NMR(400 MHz,CDCl3),(ppm):8.94(s,2H),7.36(s,2H),7.107.14(m,4H),4.35(d,J=7.1 Hz，4H),4.13(d,J=7.5 Hz,4H)，2.27(m,2H),1.95(m,2H)，1.321.14(m,80H),0.970.84(m,24H).13C NMR(CDCl3,100 MHz),(ppm):161.28,161.12,148.07,139.73,138.76,135.65,133.59,130.44,127.80,127.07,126.72,125.62,125.13,122.83,121.16,63.62,54.35,37.10,34.71,31.73,29.35,28.39,27.93,27.56,23.16,22.73,14.26,11.63.1.2.2 化合物 M4 的合成将化合物 M3（0.92 g，0.65 mmol）加入 100 mL 的两口瓶中，用氮气进行抽换气四次，加入 5 mL 二氯甲烷和 30 mL 的 DMF 作为反应溶剂，然后在冰浴条件下，缓慢滴加三氯氧磷（1 mL，2.62 mmol），最后在 90 条件下边搅拌边反应 12 h.降至室温后直接倒入饱和碳酸钠溶液中，用二氯甲烷萃取，有机相用蒸馏水洗三次，再用无水硫酸镁干燥.最后过滤和旋干溶剂，将残余物通过硅胶柱色谱法（洗脱剂是石油醚：二氯甲烷=1:1）进行纯化，得到深紫色固体化合物 M4，质量为 740 mg，产率为 78%.1H NMR(400MHz,CDCl3),(ppm):9.84(s,2H),9.17(s,2H),7.65(s,2H),7.40(s,2H),4.63(d,J=7.2 Hz，4H),4.48(d,J=7.6 Hz,4H)，2.59(m,2H),2.25(m,2H)，1.461.25(m,80H),1.070.89(m,24H).13C NMR(CDCl3,100 MHz),(ppm):182.23,161.82,161.54,149.37,140.42,139.06,136.35,134.32,131.84,128.80,128.27,126.92,126.12,124.63,121.73,120.36,63.82,54.65,38.21,33.68,30.34,29.32,28.89,28.03,27.96,24.21,22.53,14.46,11.73.1.2.3 化合物 SNDI-0F 的合成将化合物 M4（0.18 g，0.13 mmol），3-（二氰基亚甲基）靛酮（95.62 mg，0.49 mmol）吡啶（0.5 mL），CHCl3（30 mL）加入到 100 mL 单口瓶中.在 60 条件下反应过夜，降至室温后，直接旋干溶剂，将残余物通过硅胶柱色谱法（洗脱剂是石油醚：二氯甲烷=1:1）进行纯化，得到深棕色固体 SNDI-0F，质量为193.43 mg，产率为 82%.1H NMR(400 MHz,CDCl3),(ppm):8.92(s,2H),8.83-8.80(m,2H),8.21-8.15(m,2H),793-7.89(m,2H),7.76-7.74(m,6H),7.67(s,2H),4.63(d,J=6.4 Hz,4H),4.47(d,J=6.2 Hz,4H),2.62(m,2H),2.27(m,2H)，1.461.27(m,80H),1.070.90(m,24H).13C NMR(CDCl3,100 MHz),(ppm):187.14,173.93,162.54,161.49,161.01,155.86,155.27,154.39,152.43,149.67,146.08,144.52,141.61,139.72,136.89,135.96,134.69,132.17,129.35,128.39,127.36,126.87,124.88,123.48,121.96,120.86,118.24,116.92,64.45,63.37,63.15,54.51,38.48,33.50,30.09,29.18,28.90,27.89,27.47,24.56,23.53,22.46,14.53,14.41,14.37,11.72,11.68.MS(MALDI-TOF):Calcd.for C112H132F4N8O6S4(M+):1814.58,Found:1814.92.1.2.4 化合物 SNDI-4F 的合成与化合物 SNDI-0F 的合成步骤类似.最终得到深棕色固体 SNDI-4F，质量为 142 mg，产率为 80%.1H嘉应学院学报（自然科学）40NMR(400 MHz,CDCl3),(ppm):8.96(s,2H),8.84(s,2H),8.65(s,2H),8.05-7.97(m,4H),7.69(s,2H),4.69(d,J=6.8 Hz,4H),4.52(d,J=6.5 Hz,4H),2.64(m,2H),2.30(m,2H)，1.481.28(m,80H),1.090.92(m,24H).13C NMR(CDCl3,100 MHz),(ppm):186.23,173.82,161.75,161.41,160.81,155.80,155.21,154.24,149.42,145.27,144.36,140.47,139.10,136.39,135.82,134.36,131.89,128.83,128.32,126.97,126.17,124.68,121.77,120.39,116.73,65.15,63.87,54.70,38.28,33.73,30.39,29.39,28.93,28.09,27.99,24.26,22.57,14.57,14.51,14.46,11.79,11.75.MS(MALDI-TOF):Calcd.for C112H128F4N8O6S4(M+):1886.54,Found:1886.88.1.3 测试与表征（1）紫外可见吸光光谱测试.采用氯仿为溶剂，所配比溶液浓度为 10 mg/mL；进行固体薄膜测试时，将溶有材料的氯仿溶液旋涂在石英片上，两者均有空白对照.（2）循环伏安特性测试.循环伏安法（CV）在氮气保护下使用 CHI660A 电化学工作站完成测试，采用三电极体系，以银电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，将受体材料溶液旋涂于铂碳电极上作为工作电极，电解质溶液使用 0.1 mol/L 的四丁基六氟磷酸铵(Bu4NPF6)乙腈溶液，以二茂铁作为内标物质，扫描速率为 50 mv/s.（3）器件制备与测试.在室温下依次使用肥皂水、去离子水、丙酮、异丙醇以及沸腾的异丙醇超声ITO 片 15 min，然后基底用紫外/臭氧处理 20 min，接着把 PEDOTPSS 旋涂在 ITO 片上，在 140oC 下加热 15 min，过后转移到手套箱中.在 PEDOT PSS 上旋涂预先用氯仿溶解好的受体材料，旋涂电子传输层，最后蒸镀 Ag 电极.器件的光伏性能在 100 mW/cm2AM1.5G 模拟太阳光源下测试，电流密度-电压曲线由Keithley 2 400 源表获得，外量子效率（EQE）曲线由 QE 测试系统而得.（4）形貌表征.活性层薄膜制备过程同光伏器件的制备，使用 Bruker Multimode8 Microscope 以轻敲模式进行测试；场发射透射电子显微镜在铜网上制样，使用型号为 JEM-2100F 的仪器测试.2 结果与讨论2.1 材料合成与表征目标非稠环受体材料 SNDI-0F 和 SNDI-4F 的合成路线如图 2 所示.首先，目标产物的共轭骨架由化合物 M1 和化合物 M2 通过 Stille 偶联反应得到化合物 M3.然后，化合物 M3 与三氯氧磷和 DMF 反应制备二醛中间体化合物 M4.最后，化合物 M4 与 3-（二氰基亚甲基）靛酮或 5,6-二氟-3-（二氰基亚甲基）靛酮经过缩合反应得到两个目标非稠环受体材料（SNDI-0F 和 SNDI-4F）.通过核磁和质谱表征两个非稠环受体材料的结构，两个材料在常见的有机溶剂，例如氯仿，氯苯中均有良好的溶解性能.M1M2M3M4第 41 卷第 3 期何柏田，刘龙飞，林璇璇，等基于 NDI 非稠环受体的设计合成及其光电性能研究41图 2两种非稠环受体材料的合成路线2.2 光学和电化学性能SNDI-0F 和 SNDI-4F 在氯仿和薄膜的紫外可见吸收如图 3a 所示，具体的光学数据总结在表 1.在稀溶液中，两个受体在 500800 nm 处表现出相似的吸收轮廓，最大吸收峰分别位于 631 nm 和 641 nm 处.这种宽而强的吸收是由于多种电子给体与受体之间相互作用引起的强推拉效应14.在薄膜中，可以观察到SNDI-0F 和 SNDI-4F 红移大约 110140 nm，表明在固体状态下分子间的有序堆积明显得到增强.由于端基氟化效应，SNDI-4F 的吸收系数明显高于 SNDI-0F，有利于在器件中获得更高的短路电流.根据公式：Egopt=1240/onset，计算得出 SNDI-0F 和 SNDI-4F 的光学带隙（Egopt）分别为 1.32 和 1.31 eV.此外，两种非稠环受体材料的吸收光谱与给体体聚合物 PM6 互补，有利于增强器件的光子捕获能力.如图 3b 所示，SNDI-0F 和 SNDI-4F 的电化学性能通过循环伏安法进行测试.根据方程 EHOMO/LUMO=-e(Eox/red+4.36)，分别从起始氧化/还原电位估算小分子的最高占有轨道（HOMO）和最低未占分子轨道(LUMO)能级.SNDI-0F和SNDI-4F的 HOMO 能级估计分别为-5.89 eV 和-5.94 eV，LUMO 能级分别为-3.93eV 和 的-3.98 eV.与 SNDI-0F 相比，由于氟原子强拉电子的效应，SNDI-4F 具有较深的 HOMO 和 LUMO能级.此外，两个非稠环受体材料的能级与给体 PM6 的能级具有良好的匹配性.图 3两种非稠环受体材料的吸收光谱(a)和电化学图(b)SNDI-OFX=HSNDI-4FX=F嘉应学院学报（自然科学）42表 1非稠环受体材料的光物理性质和电化学性质Acceptorsmaxsol/nmmaxfilm/nmEgopt/eVEHOMO/eVELUMO/eVEgCV/eVSNDI-0F6317771.32-5.89-3.931.96SNDI-4F6417541.31-5.94-3.981.962.3 光伏性能为了研究非稠环受体材料的光伏性能，制备了倒装器件，其结构为 ITO/ZnO/D:A/MoO3/Al.在此，选取经典高效的聚合物 PM6 作为给体，主要是因为其与两种新型受体具有互补的光吸收和良好匹配的能级.同时，系统地优化了器件制备过程中给受体比例，转速，热退火温度，添加剂等以获得最佳的聚合物太阳能电池性能.通过优化，得到非稠环受体材料的最优加工条件，相应器件的电流密度-电压特性(J-V)曲线如图 4(a)所示，聚合物光伏器件相关性能参数列于表 2 中.在无后处理条件下，基于 PM6:SNDI-0F 的器件获得 4.06%的能量转换效率，其中开路电压为 0.77 V，短路电流为 8.95 mA/cm2，填充因子为 58.42%.而基于 PM6:SNDI-4F 的器件性能有一定程度的提升，获得 4.95%的能量转换效率，开路电压为 0.70 V，短路电流为 14.47 mA/cm2，填充因子为 48.61%，这主要是由于 SNDI-4F 具有更大的吸光系数，从而使得其具有更高的短路电流.在 130 下热退火 10 min 后处理条件下，基于 SNDI-0F 的器件效率下降至 3.11%，而基于 SNDI-4F 的器件效率却有所提升，能量转换效率为 5.99%.通过外量子效率(EQE)测试对相应的有机太阳电池的器性能进行了深入研究.从图 4(b)中可以明显看出，所有聚合物在 300 800 nm 光谱范围内均表现出较高的 EQE 响应值.其中，在 400 780 nm 波长范围内 SNDI-4F 器件的 EQE 响应值高于 50%，在 550 750 nm 波长范围内出现接近 50%的 EQE 响应平台.基于 SNDI-4F 器件的 EQE 响应值明显高于基于 SNDI-0F 器件，与其具有更高的短路电流相一致，这可能归因于受体的更强的吸收能力.图 4基于 PM6:非稠环受体的J-V曲线(a)和 EQE 曲线(b)第 41 卷第 3 期何柏田，刘龙飞，林璇璇，等基于 NDI 非稠环受体的设计合成及其光电性能研究43表 2基于 PM6:非稠环受体材料共混膜的器件性能Blend filmsAnnealingVOC/VJSC/mAcm-2FF/%PCE/%PM6:SNDI-0Fw/o0.788.9558.424.06PM6:SNDI-0F130 10 min0.797.1356.003.11PM6:SNDI-4Fw/o0.7014.4548.654.95PM6:SNDI-4F130 10 min0.7114.7556.775.992.4 电荷产生，传输与复合性能为了研究电荷产生和传输性能，对器件的光电流密度(JPh)与有效电压(Veff)之间的关系进行研究（如图5a 所示）.光电流密度(JPh)定义为Jph=JL-JD，其中JL和JD分别为光电流和暗电流.有效电压(Veff)表示为Veff=V0-Vbias，其中V0是Jph为零时的电压，Vbias是施加电压.对于Veff大于 2 V 时，认为所有的光生激子都解离成自由电荷并且被正负电极收集，在此条件下的光电流密度也被称为饱和电流(Jsat)15.激子产生效率Pdiss可以表示为Pdiss=Jph/Jsat，在短路条件下，基于 SNDI-0F 和 SNDI-4F 最优器件的Pdiss分别为 68.1%和 83.7%，表明基于 SNDI-4F 的器件具有更有效的激子离解效率.此外，通过测试并绘制短路电流对光强依赖的曲线图来研究聚合物太阳电池器件的电荷复合过程，短路电流正比于光强的幂次方可以表示为JSC(Plight)S，其中Plight代表光强，S代表指数因子.当聚合物太阳电池器件载流子复合越弱时，S的数值就越接近 116.如图 5b 所示，基于 SNDI-0F 和 SNDI-4F 最优器件的S值分别为 0.768 4 和 0.925 7，表明基于 SNDI-4F 的器件具有更弱的双分子复合情况.(a)基于非稠环受体器件的JPh-Veff曲线图(b)光伏器件短路电流对光强依赖性图图 52.5 形貌表征为了研究两个非稠环受体器件性能的差异，采用原子力显微镜（AFM）和场发射透射电子显微镜(TEM)表征最优条件下共混膜的形貌（如图 6 所示）.从 AFM 图（6a 和 6b）可以看出，基于 SNDI-0F 的共混膜嘉应学院学报（自然科学）44的粗糙度（RMS）为 1.88 nm，而基于 SNDI-4F 的共混膜 RMS 为 1.67 nm，这表明基于 SNDI-0F 的共混膜具有相对粗糙的表面形貌，这对于器件内部激子的解离和电荷传输是不利的，也是造成载流子复合相对严重的一个因素，从而导致较低的短路电流和填充因子以及相对较差器件效率.从 TEM 图（6 c 和 6 d）可以看出，基于 SNDI-4F 的共混膜混合得更加均匀，没有出现大面积聚集的状态，相分离尺寸适当，这有利于激子的分离和电荷的传输，从而能够获得更高的JSC和 FF8.图 6最优条件下共混膜的 AFM 和 TEM 图：(a,c)基于 SNDI-0F 和(b,d)基于 SNDI-4F3 结论本文设计合成两种基于萘并酰亚胺的 A-D-A-D-A 型非稠环受体材料，分别命名为 SNDI-0F 和SNDI-4F.对两个材料的光学性能、电化学性能、共混膜形貌以及光伏性能进行表征，研究端基氟原子取代对材料性能的影响.研究发现 SNDI-4F 具有更强的吸光系数，更深的 HOMO 能级.当与 PM6 共混时，它们的共混膜形态比较表明，PM6:SNDI-4F 共混膜形成了合适的相分离，从而导致其具有更有效的激子离解和更低的电荷复合程度.因此，基于 PM6:SNDI-4F 的器件获得更高的能量转换效率（5.99%），而基于PM6:SNDI-0F 的器件能量转换效率为 4.06%.这些研究结果表明通过选择适当的中心核、合理的侧链控制和端基调制，能够设计合成出更有效的基于 A-D-A-D-A 型的非稠环受体材料，此类材料在高性能聚合物太阳能电池具有广阔的发展空间.参考文献：1 LIU Y H,LI B W,MA C Q,et al.Recent progress in organic solar cells(Part I material science)J.Science China Chemistry,2022(65):224-268.2 黄飞,薄志山,耿延候,等.光电高分子材料的研究进展J.高分子学报,2019,50(10):988-1046.3 李腾飞,占肖卫.有机光伏研究进展J.化学学报,2021,79(3):257-283.4 刘柏侨,许韵华,夏冬冬,等.基于非富勒烯电子受体的半透明有机太阳能电池J.物理化学学报,2021,37(3):2009056.5 ZHU L,ZHANG M,XU J Q,et al.Single-junction organic solar cells with over 19%efficiency enabled by a refined double-fibrilnetwork morphology J.Nature Materials,2022(21):656663.6 MENG L,ZHANG Y,WAN X,et al.Organic and solution-processed tandem solar cells with 17.3%efficiency J.Science,2018,361(6407):10941102.7 FAN B B,DU X Y,LIU F,et al.Fine-tuning of the chemical structure of photoactive materials for highly efficient organicphotovoltaics J.Nature Energy,2018(3):10511058.8 YU T,XU X P,ZHANG G J,Wide bandgap copolymers based on quinoxalino6,5-f-quinoxaline for highly effcient nonfullerene第 41 卷第 3 期何柏田，刘龙飞，林璇璇，等基于 NDI 非稠环受体的设计合成及其光电性能研究45polymer solar cells J.Advanced Functional Materials,2017,27(28):1701491.9 YUAN J,ZHANG Y Q,ZHOU L Y,et al.Single-junction organic solar cell with over 15%efficiency using fused-ring acceptorwith electron-deficient core J.Joule,2019,3(4):112.10 LIU Q S,JIANG Y F,JIN K,et al.18%Efficiency organic solar cells J.Science Bulletin,2020,65(4):272275.11 LI S X,ZHAN L L,LIU F,et al.An unfused-core-based nonfullerene acceptor enables high-effciency organic solar cells withexcellent morphological stability at high temperatures J.Advanced Materials,2017,30(6):1705208.12 WANG X D,LU H,LIU Y H,et al.Simple nonfused ring electron acceptors with 3D network packing structure boosting theefficiency of organic solar cells to 15.44%J.Advanced Energy Materials,2021,11(45):2102591.13 LIU X Z,WEI Y N,ZHANG X,et al.An A-D-A-D-A type unfused nonfullerene acceptor for organic solar cells withapproaching 14%efficiency J.Science China Chemistry,2021,64(2):228231.14 HUANG J F,LI S S,QIN J Z,et al.Facile modification of a noncovalently fused-ring electron acceptor enables efficient organicsolar cells J.ACS Applied Materials Interfaces,2021,13(38):4580645814.15 MANDOC M.M.,KOOISTRA F.B.,HUMMELEN J.C.,et al.Effect of traps on the performance of bulk heterojunction organicsolar cells J.Applied Physics Letters,2007,91(12):263505.16 HE B T,CHEN Y L,CHEN J L,et al.Wide-bandgap donor polymers based on a dicyanodivinyl indacenodithiophene unit fornonfullerene polymer solar cells J.RSC Advances,2021,11(35):21397-21404.责任编辑：陈先军Design and Synthesis of Naphthalene Diimide-based Unfused Ring Acceptor for EfficientPolymer Solar CellsHE Bai-tian1,LIU Long-fei2,LIN Xuan-xuan1,HUANG Hua-xiu1,XIAO Man-jun2（1.School of Chemistry and Environment,Jiaying University,Meizhou 514015,China;2.College of Chemistry,XiangtanUniversity,Xiangtan 411105,China）Abstract:Abstract:Polymer solar cells(PSCs)with bulk heterojunction(BHJ)structures have attracted tremendous research attention due totheir light weight,large-areas and flexibility devices through the roll-to-roll solution process.In this study,we designed andsynthesized two unfused ring acceptors based on naphthalene diimide(NDI)moiety,namely SNDI-0F and SNDI-4F,respectively.Compared to the SNDI-0F,the SNDI-4F exhibited higher absorption coefficient,higher exciton dissociation rates,more efficientcharge collection and better nanoscale phase separation.Combining each unfused ring acceptor with a polymer donor PM6,anoptimum power conversion efficiency(PCE)of 5.99%was achieved for the SNDI-4F blend device,whereas the devices based on theSNDI-0F exhibited a PCE of 4.06%.The results of this work indicate that the NDI unit is a promising building block for constructingnonfused ring acceptors for high-performance polymer solar cells.KeyKey words:words:polymer solar cells;naphthalene diimide;unfused ring acceptor;power conversion efficiency