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【Angew.Chem.】小 ΔEST 如何让有机太阳能电池效率突破 20%？——一项关于抑制三重态损失的最新研究解读 ​

文章标题： Dimeric Acceptor with Small Singlet‐Triplet Energy Gap Enables Suppressed Triplet Loss and 20.85% Efficiency of Organic Solar Cells 通讯作者： Prof. Yanming Sun 文章链接： https://doi.org/10.1002/anie.202524341

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文章概要 ​

有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSCs）因其柔性、轻量、可溶液加工等优势，被视为下一代光伏技术的重要方向。近年来，随着分子设计与器件工程的不断突破，OSCs 的光电转换效率（PCE）已突破 20%，但距离商业化仍存在关键瓶颈，其中最核心的问题之一便是非辐射能量损失（ΔEnr）过高。

在目前主流的非富勒烯受体（NFA）体系中，光生的单重态电荷转移态（¹CT）极易转化为三重态电荷转移态（³CT），并进一步回落到更低能级的三重态激发态（T₁）。由于 T₁ 态通常不发光，这一过程会造成严重的非辐射损失，降低开路电压（Voc），并与电荷提取竞争，从而降低器件的填充因子（FF）。因此，如何抑制三重态的形成与衰减，是提升 OSC 性能的关键科学问题。

本研究提出了一种全新的解决方案：通过构建具有小单重态–三重态能级差（ΔEST）的二聚体受体分子 DY‑TXT，有效抑制三重态损失，并实现高达 20.85% 的器件效率。

一、研究核心：利用 TADF 单元构建小 ΔEST 的二聚体受体 ​

研究团队设计并合成了一种新型二聚体受体 DY‑TXT，其关键创新在于引入了热激活延迟荧光（TADF）分子 TPA‑XT 作为桥接单元。TADF 分子具有天然的小 ΔEST 特性，可促进三重态向单重态的反向系间窜越（RISC），从而实现三重态激子的“回收”。

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1. 分子结构与电子分布的突破 ​

通过密度泛函理论（DFT）计算，研究发现：

  • 传统受体 L8‑BO 的电子与空穴分布存在较大重叠，导致 ΔEST 较高（约 0.48 eV）。
  • DY‑TXT 的电子与空穴分布空间分离明显，极大降低了交换能，从而显著减小 ΔEST（单分子计算约 0.29 eV）。

这种电子分布的调控，是实现小 ΔEST 的关键。

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二、实验验证：DY‑TXT 的 ΔEST 仅约 0.10 eV ​

研究团队在 77 K 下测量了 L8‑BO 与 DY‑TXT 的荧光与磷光光谱，并借助 PtOEP 作为敏化剂增强磷光信号。

结果显示：

  • L8‑BO：

    • S₁ ≈ 1.51 eV
    • T₁ ≈ 1.26 eV
    • ΔEST ≈ 0.25 eV

  • DY‑TXT：

    • S₁ ≈ 1.43 eV
    • T₁ ≈ 1.33 eV
    • ΔEST ≈ 0.10 eV（显著降低）

根据费米黄金法则，较小的 ΔEST 能显著降低系间窜越（ISC）与反向系间窜越（RISC）的能垒，使得三重态激子更容易被“回收”，从而减少非辐射损失。

三、光物理性能提升：更高 PLQY、更少三重态生成 ​

DY‑TXT 不仅 ΔEST 小，还表现出更高的光致发光量子效率（PLQY ≈ 6.7%），说明其辐射复合能力更强。

在 D18:L8‑BO 体系中加入 DY‑TXT 后：

  • 电致发光外量子效率（EQEEL）显著提升
  • 三重态激子生成明显减少（通过超快光谱验证）
  • 体系的分子堆积与形貌得到优化，有利于电荷生成与传输

这些因素共同促进了器件性能的提升。

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四、器件性能：非辐射能量损失降至 0.194 eV，效率达 20.85% ​

在构建三元器件 D18:L8‑BO:DY‑TXT 后，研究团队实现了：

  • 极低的 ΔEnr：0.194 eV
  • 高达 20.85% 的光电转换效率（PCE）

这是目前 OSC 领域中极具竞争力的性能水平，充分证明了小 ΔEST 分子设计策略的有效性。

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五、研究意义：为抑制三重态损失提供新路径 ​

本研究的贡献不仅在于实现高效率器件，更重要的是：

1. 提供了一种普适的分子设计策略 ​

通过引入 TADF 单元构建二聚体受体，可有效调控：

  • 电子–空穴分布
  • ΔEST
  • 三重态激子动力学

这一策略可推广至更多 NFA 体系。

2. 深入揭示了三重态损失的物理机制 ​

研究系统展示了：

  • 小 ΔEST 如何抑制三重态生成
  • RISC 如何实现三重态激子的回收
  • 分子结构如何影响能量损失路径

为未来 OSC 的能量损失调控提供了理论与实验依据。

3. 推动 OSC 向商业化迈进 ​

降低 ΔEnr 是提升 Voc 的关键，而本研究将 ΔEnr 压低至 0.194 eV，为进一步突破效率极限提供了可能。

总结 ​

这篇研究通过巧妙的分子设计，将 TADF 单元引入二聚体受体，成功构建出具有极小 ΔEST 的新型受体 DY‑TXT。其显著抑制三重态损失、提升辐射复合效率，并最终实现 20.85% 的高效率 OSC 器件。

该工作不仅展示了小 ΔEST 在抑制能量损失中的关键作用，也为未来高性能 OSC 材料的设计提供了全新的思路，是有机光伏领域的重要进展。