Fluolab【Adv.Mater.】0.93V 开路电压与 20.5% 效率的双重突破：AIE 分子设计如何终结有机太阳能电池的“能量内耗”？
✨文章标题：Aggregation-Induced Emission Molecular Design for Mitigating Non-Radiative Energy Loss in Organic Solar Cells ✉️作者：He Yan, Sai Ho Pun, Gang Li 等 🔗链接：https://doi.org/10.1002/adma.202519588
[!summary] 1. 研究背景与挑战
有机太阳能电池（OSCs）的效率虽已突破20%，但由于其非辐射能量损耗（）显著高于钙钛矿和硅电池，导致开路电压（）始终面临“天花板”。目前的Y系列受体在固体薄膜状态下普遍存在“聚集导致淬灭（ACQ）”现象，这种光物理特性限制了其电致发光效率，进而导致了严重的能量损失。
2. 核心创新：AIE跨界“灭火”
研究团队打破常规，将典型的AIE基团——四苯乙烯（TPE） 引入到高性能Y系列受体（L8BO-C4）的末端，设计并合成了一种新型受体分子dTPE。
- 物理机制： 传统分子在堆积时发光会消失（ACQ），而dTPE在聚集态下，通过“限制分子内转动（RIR）”效应，反而能激发出极强的发光能力。
- 对比设计： 为了验证AIE的独特性，团队还设计了一个不具备AIE特性的对照分子dSpiro。
3. 关键实验数据与发现
- 发光性能： dTPE薄膜的光致发光量子产率（PLQY）达到，比母体L8BO-C4提高了3倍以上。
- 能量损耗： 在二元器件中，D18:dTPE实现了仅为0.130 eV的非辐射复合损失，这是目前有机太阳能电池报道中的最低值。
- 效率与电压： 团队将dTPE作为“客体”引入D18:L8BO-C4体系中。在三元器件中，其开路电压提升至0.93 V（甚至在优化比例下达到0.944 V），同时保持了20.5% 的光电转换效率（PCE）。
- 纪录突破： 该工作实现了效率超过20%的有机太阳能电池中最高的开路电压纪录。
4. 结构与机理分析
- 分子动力学模拟（MD）： 证明了dTPE在混合薄膜中，其TPE基团受到周围分子的挤压（空间位阻），运动受限，从而将本会损失掉的能量转化为辐射发光。
- 微观形貌： GIWAXS和AFM测试显示，虽然dTPE分子本身堆积较松散，但作为客体加入后，反而诱导了更规则的堆积，优化了电荷传输通道。
5. 结论意义
该工作不仅刷新了效率/电压纪录，更重要的是提供了一套通用的分子设计准则：通过将“ACQ分子”转化为“AIE分子”，从分子水平上抑制非辐射复合，为下一代高效率、低损耗有机光伏器件开辟了新路径。
一、 从“痛点”到“突破”：揭秘限制光伏效率的“无声税收”
1. 有机太阳能电池的“效率天花板”之谜
在清洁能源的宏伟版图中，有机太阳能电池（OSCs） 一直以其轻质、柔性、可半透明以及低成本制造等独特优势，被视为下一代光伏技术的有力竞争者 。然而，尽管在过去的十年中，通过新材料的开发和器件工程的优化，有机太阳能电池的光电转换效率（PCE）已经成功跨越了 的大关，但与趋于成熟的单晶硅电池和异军突起的钙钛矿电池相比，其绝对效率仍显得略逊一筹 。
阻碍其进一步迈向更高效率的核心瓶颈，并不完全在于对光子的吸收能力，而是在于电压的流失。在光伏器件中，开路电压（）是衡量性能的关键指标之一。长期以来，有机太阳能电池的电压损失明显高于其无机或杂化对手，这使得即便其吸收了足够的光子，最终输出的电能也会因为电压的折损而大打折扣 。
2. 电压流失的幕后黑手：非辐射能量损耗
究竟是什么“偷”走了电压？科学家们发现，罪魁祸首是一种被称为非辐射能量损耗（） 的物理过程 。简单来说，当电池吸收光能产生电荷后，这些电荷在复合过程中如果不能以光的形式辐射出来，就会转化为热能散失掉。这种“不发光”的复合过程就像是一场无声的税收，无情地削减了器件的电压输出 。
当前的明星光伏受体材料——Y系列非富勒烯受体，虽然在电荷传输上表现卓越，但在固态薄膜状态下普遍存在严重的“聚集导致淬灭（ACQ）”现象 。这意味着当分子为了传输电荷而紧密堆叠时，它们的荧光就会消失，导致极其微弱的发光量子效率，进而引发巨大的非辐射电压损失 。如何打破这一物理特性的固有天花板，成为当前光伏领域最迫切的挑战之一。
二、 核心方法与技术细节：当 AIE 效应遇上光伏受体
1. “跨界”灵感：让分子在聚集时“放声歌唱”
面对 ACQ 带来的困局，研究团队将目光投向了发光材料领域的传奇概念——聚集诱导发光（AIE） 。与传统分子在聚集时“失声”不同，AIE 分子在单分子状态下寂静无声，但一旦聚集成膜，反而会爆发出强烈的荧光 。
这种现象的物理机制在于限制分子内转动（RIR） 。想象一下，一个分子如果拥有许多可以自由转动的“转子”，它的能量很容易通过这些转动的震动消耗掉；但如果通过分子堆叠将其“卡死”，能量就无处可去，只能以光子的形式释放。研究团队大胆设想：如果能将这种 AIE 特性引入到 Y 系列受体中，是否就能从根本上抑制非辐射损耗，从而锁定流失的电压？
2. 分子手术：在 Y 系列受体上植入“发光插件”
为了验证这一构想，研究人员进行了一场精密的“分子手术”。他们选择了一种高性能的 Y 系列受体 L8BO-C4 作为母体，并将其末端基团进行改性 。
- dTPE 的诞生：研究团队将经典的 AIE 基团——四苯乙烯（TPE） 引入到受体末端，设计并合成了受体 dTPE 。TPE 分子拥有四个可以转动的苯环，就像一个四叶螺旋桨，是实现 RIR 效应的绝佳候选 。
- 对照组 dSpiro：为了排除单纯因为体积变大带来的干扰，团队还合成了一个名为 dSpiro 的分子 。它虽然拥有同样庞大的骨架，但因为其结构过于僵硬，不具备 AIE 活性 。
- 合成策略：整个合成过程简洁高效，仅需在商用前驱体的基础上增加一步 Suzuki 偶联反应 即可获得关键的末端基团 。这种良好的化学兼容性确保了该策略具有广泛的推广潜力 。
3. 分子动力学模拟：捕捉那些“被锁住”的转动
为了从微观层面看清 dTPE 是如何工作的，研究团队动用了分子动力学（MD）模拟 。模拟结果显示，在混合薄膜中，dTPE 的 TPE 基团并不是孤立存在的。
通过径向分布函数 分析发现，TPE 基团会与周围的其他受体分子或给体分子发生强烈的相互挤压 。在这种密集的堆积环境下，TPE 的四个苯环转动受到了极大的空间位阻限制 。数据证明，TPE 基团的扭转角分布标准差从溶液状态的 显著降低到薄膜状态的 。这种微观上的“动弹不得”，正是宏观上强发光和低能损的物理根源 。
三、 数据背后的创新与颠覆性：通往 20.5% 效率的低损耗之路
1. 实验室奇迹：PLQY 与电致发光效率的指数级飞跃
这种 AIE 分子设计的实际效果堪称惊艳。研究人员首先测试了材料的光致发光量子产率（PLQY） 。在稀溶液中，dTPE 和普通受体一样几乎不发光；但随着不良溶剂（水）的加入诱导分子聚集，dTPE 的荧光强度迅速攀升了 10 倍之多 。
在固态薄膜中，dTPE 的 PLQY 达到了 ，相比于 L8BO-C4 的 ，实现了 3.5 倍的巨大飞跃 。更令人印象深刻的是器件的电致发光外部量子效率（）。在二元器件中，D18:dTPE 展示了高达 的 ，这比传统的 D18:L8BO-C4 体系提高了一个数量级以上 。根据公式 ，这种发光能力的提升直接转化为了能量损耗的降低 。
2. 刷新纪录：0.93V 开路电压下的效率巅峰
真正的突破发生在器件性能测试中。研究团队采用了一种三元体系策略，将 dTPE 作为“客体”引入到 D18:L8BO-C4 的主体系中 。
- 电压的稳步攀升：随着 dTPE 含量的增加，器件的开路电压表现出惊人的线性增长，从 一路飙升至 。
- 黄金比例的诞生：在 的最佳配比下，三元器件不仅保留了主体系的高电流特性，更将电压推升到了 （平均 ） 。
- 效率纪录：该器件最终实现了 的冠军转换效率 。据目前已知数据，这是全球范围内首次在效率超过 的有机太阳能电池中实现如此之高的开路电压 。
3. 微观形貌的协奏曲：当“笨重”成为“秩序”
通常情况下，引入像 TPE 这样庞大的基团会破坏分子的有序堆积，从而损害电荷传输。但这项研究却发现了一个奇妙的现象：dTPE 反而促进了形貌的优化 。
- 有序度的提升：通过掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS） 分析，研究人员惊讶地发现，虽然 dTPE 本身堆积较松散（ 堆积距离为 ），但当它加入到三元体系中时，主体系的 堆积距离反而从 缩小到了 。
- 电荷传输的平衡：三元薄膜的相干长度（CL）从 增加到 ，这意味着分子堆叠变得更加整齐划一 。
- 更平衡的迁移率：测试显示，引入 dTPE 后，器件的电子和空穴迁移率变得更加平衡，其比例从 优化至 ，有效地减少了电荷积压和复合损失 。
这种“以乱治乱”的策略，证明了 AIE 基团不仅是优秀的“能量锁”，还是杰出的“形貌建筑师”，能够在降低能损的同时，拓宽电荷传输的康庄大道 。
四、 应用展望、局限性与未来路线图：开启低碳能源的新篇章
1. 聚光灯下的阴影：当前的挑战与局限
尽管这项研究取得了里程碑式的进展，但研究团队也清醒地指出了其局限性。目前引入的 TPE 等 AIE 基团具有较大的空间体积，虽然在本研究的特定比例下起到了正面作用，但如果盲目增加含量，可能会导致材料的结晶度过度下降，进而影响电荷的收集效率 。
此外，dTPE 的合成虽然步骤简单，但其作为三元体系中的第三组分，增加了大面积器件加工过程中的复杂度和精准度要求 。如何在保持低能损特性的同时，进一步简化器件结构或开发出具备更高电荷迁移率的全 AIE 型受体，将是接下来的重点研究方向。
2. 未来的蓝图：从实验室到屋顶的跨越
这项研究的成功，标志着有机光伏领域分子设计理念的一次重要转型：从单纯追求“强吸收、快传输”转向“高发光、低损耗” 。
随着更多具有 AIE 特性的光伏分子的问世，我们有理由相信，有机太阳能电池的效率有望在短期内突破 甚至挑战钙钛矿电池的领先地位 。这种具备高电压、高效率特征的新型电池，将极大地拓展其在室内光伏、穿戴式电子设备以及建筑一体化光伏（BIPV）等领域的商业应用 。
通过从分子底层逻辑入手，解决能量损耗这一困扰行业多年的顽疾，这项工作不仅为我们勾勒出了一幅清晰的技术路线图，更为人类迈向低碳能源社会提供了一把强有力的科技利剑 。