研究背景

       有机太阳能电池（OSCs）因其柔性、轻质、易于溶液加工等优点，近年来在可持续能源领域展现了广泛的应用潜力。然而，目前高性能的有机稠环受体材料常面临合成复杂、成本高等问题，限制了其大规模工业生产的应用。因此，开发合成简便且高效的非稠环电子受体材料，已成为当前有机光伏研究的热点之一。为了推动该领域的进一步发展，深入研究材料的晶体结构、分子堆积与光伏性能之间的内在关系显得尤为重要。偶极矩被认为是调控分子堆积方式和优化材料性能的关键因素之一。通过合理设计非稠环受体材料的分子结构，可以有效改善分子堆积行为和能级匹配，从而提升器件的整体性能。

文章重要内容

     基于上述背景，浙江大学高分子科学与工程学系、浙江大学杭州国际科创中心信息与功能材料研究院的陈红征教授和李水兴研究员团队，围绕基于3-氰基噻吩的不对称非稠环电子受体材料（X4、X5和X6）的设计与合成展开了深入研究，探讨了末端基团的不同结构对材料光电性能及有机太阳能电池器件效率的影响。研究发现，通过引入氰基基团，能够有效降低噻吩的给电子效应，优化与给体材料PM6的能级匹配。此外，分子中的强偶极作用驱动分子形成特定的堆积方式，氟代和氯代末端基团的不同对分子聚集行为和器件性能产生了显著影响。最终，基于X6的有机太阳能电池器件展现了12.05%的最高能量转换效率，优于X4（11.81%）和X5（11.87%）。该研究为不对称非稠环受体材料的设计与优化提供了重要参考。

文章概述

       本文通过引入3-氰基噻吩作为中心单元，设计并合成了三种具有不同末端基团的非稠环电子受体材料X4、X5和X6，并对其在有机太阳能电池中的光伏性能进行了系统研究。图1展示了相应的分子结构、基本物化性质和合成路径。与X5相比，X4和X6在薄膜中的0-0吸收峰更加显著，表明它们的分子间堆积更倾向于J-聚集模式（即末端对末端的分子排列）。此外，氰基噻吩的引入有效降低了受体材料（X4、X5和X6）的HOMO能级（分别为-5.59、-5.62和-5.54 eV），优化了与给体材料PM6的能级匹配，从而为有效的激子解离和电荷转移提供了有力保障。

图1 (a) X4、X5和X6的化学结构；(b) X4、X5和X6在氯仿溶液和薄膜中的紫外-可见吸收光谱；(c) PM6、X4、X5和X6的能级图；(e) X4、X5和X6的合成路线。

 在分子结构方面，X4和X5表现出较好的平面性，而X6由于末端基团的影响，表现出较强的分子间π-π堆积。通过单晶结构解析，进一步明确了分子的堆叠信息，图2展示了相应的单晶结果。X4和X5在分子堆积中倾向于通过“面对面”的方式形成二聚体，其中X4呈现出典型的J-聚集堆积模式，而X5则呈现出J-聚集和H-聚集交替的堆积方式。单晶结构分析显示，X5因其更为平坦的分子结构和更强的π-π堆积能力，导致分子间相互作用更为紧密。 

图2 (a) X4的单晶结构（CCDC 2300580）和(b) X5的单晶结构（CCDC 2300581）；(c) X4和X5单晶中的分子间π-π堆叠。

 在光伏性能测试中，基于X6的器件展现出12.05%的最高PCE，并且具有19.90 mA·cm^-2的短路电流密度（J_SC）和72.38%的填充因子（FF）。而基于X4和X5的器件的PCE分别为11.81%和11.87%。尽管X4和X5的器件在J_SC方面有所差异，X4表现出较高的开路电压（V_OC，0.848 V），而X5由于其较深的LUMO能级（-3.98 eV），导致V_OC略低（0.840 V）。此外，器件的外量子效率（EQE）测试表明，三个受体材料的器件在300~850 nm波长范围内均展示了宽广的光电流响应，且与吸收光谱一致。X5和X6的EQE响应范围较宽，而X4的响应范围则相对略窄。通过研究光电流密度（J_ph）与有效电压（V_eff）之间的关系，结果表明基于X6的器件在激子解离和电荷收集效率方面表现最佳，其激子解离效率（P_diss）和电荷收集效率（P_coll）分别为97.11%和84.92%，优于基于X4和X5的器件。图3展示了上述相关光伏性能结果。

图3 (a) 优化后的OSCs的J-V曲线和(b) EQE光谱；(c) 基于X4、X5和X6的OSCs的J_ph-V_eff曲线；(d-e) 光照强度依赖的J_SC曲线和V_OC曲线；(f) 基于X4、X5和X6的OSCs的空穴和电子迁移率。

该研究采用基于3-氰基噻吩单元的不对称设计策略，并系统分析了末端基团结构对分子堆积及光伏性能的影响，为非稠环电子受体材料的设计和优化提供了重要参考。

本文为明日之星专栏特约稿件，以研究论文形式即将在《高分子学报》2025年第4期印刷出版。