Fluolab【Angew.Chem.】北京理工大学王金亮|效率突破20.3%！双非对称策略助力有机太阳能电池性能再创新高
通讯作者： Jin-Liang Wang
文章概要
引言
有机太阳能电池（OSCs）因其具有柔性、轻质、可溶液加工和半透明等独特优势，已成为下一代清洁能源技术的重要候选者。随着小分子受体（SMA）设计的不断演进，其能量转换效率（PCE）已逐步跨越20%的大关。在众多分子工程策略中，通过末端基团的卤素工程调节分子的光电特性和堆积行为被证明是提升效率的最有效手段之一。然而，如何精准控制重卤素（如溴、碘） 在非对称末端中的位置，并合成具有区域规整性（Regio-regular） 的双非对称受体，依然是该领域的重大挑战。本研究提出了一种创新的双非对称末端策略，旨在通过精细调控末端重卤素取代，平衡光伏参数并突破二元器件效率瓶颈。
(a) Molecular structures of AY2F-ClF, AY2F-BrF, AY2F-IF, and SY-2(FBr). (b) Normalized absorption spectra of films and (c) energy diagram of D18, AY2F-ClF, AY2F-BrF, AY2F-IF, and SY-2(FBr) in neat films. (d) CCLs variation derived from GIWAXS measurements of pure films.
主要实验及结论
研究团队成功合成并系统对比了三种全局非对称小分子受体（AY2F-ClF、AY2F-BrF、AY2F-IF）以及一种对称受体（SY-2(FBr)）。这些分子的核心特点在于引入了区域规整的异质双卤化非对称末端。实验发现，随着卤素原子从氯到溴再到碘的演变，分子的光收缩带隙逐渐变窄，HOMO能级显著上移，有效增强了内部分子的电荷转移（ICT）效应。通过单晶X射线衍射（SC-XRD） 分析，研究人员观察到非对称受体AY2F-BrF在单晶状态下展现出最小的扭曲角和最高的分子堆积密度。这种紧密的3D网络结构配合多维度、强有力的电子耦合，为电荷的高速传输提供了理想的通道，其纯膜状态下的电子迁移率显著优于其他对照组分子。
Synthetic route of asymmetric AY2F-ClF, AY2F-BrF, and AY2F-IF and symmetric SY-2(FBr).
(a) The single-crystal conformations from top and side views. (b) 3D packing viewed from the conjugated planes for AY2F-ClF, AY2F-BrF, AY2F-IF, and SY-2(FBr). (c) The π–π stacking direction-viewed single-crystal packing with π–π stacking distances and electronic coupling constants (|J|). N-alkyl chains and H atoms are hidden for clarity.
在器件性能测试中，基于D18:AY2F-BrF的二元器件表现异常出色，实现了高达20.26%（统计最高值达20.3%）的能量转换效率。这一数值刷新了基于非对称末端小分子受体的二元体异质结太阳能电池的效率纪录。深入的动力学研究表明，AY2F-BrF器件性能的全面飞跃得益于其优化的相分离形貌、更快的激子解离过程以及更高效的电荷收集能力。通过飞秒瞬态吸收光谱（fs-TA）和傅里叶变换光电流光谱（FTPS-EQE）分析证实，该体系不仅具有极快的空穴转移速率，还成功抑制了非辐射复合损失，使总能量损失（Eloss）降低至0.512 eV，在保持高短路电流的同时显著提升了开路电压和填充因子。
(a) J-V curves of the SMAs-based binary OSCs. (b) Plots of the PCE versus in binary OSCs based on reported SMAs with asymmetric end groups and our asymmetric end group-based AY2F-BrF with hetero-fluorinated/brominated terminals. (c) EQE spectra of the devices. (d) curves of the binary OSCs. (e) The fitting results of versus light intensity. (f) The fitting results of versus light intensity. (g) TPV decay kinetic curves. (h) TPC decay kinetic curves. (i) photo-CELIV curve. (j) electron and hole mobilities of the typical devices. (k) Statistical diagram of the detailed of all the OSCs. (l) EQEEL curves of the optimal OSCs.
TA results of D18:AY2F-ClF, D18:AY2F-BrF, D18:AY2F-IF, and D18:SY-2(FBr) blends. (a–d) Contour plots of time-resolved absorption difference spectra. (e) Decay dynamic fitting curves of all devices at 590 nm. (f) Two characteristic time constants achieved through exponential fitting in corresponding conditions.
(a) AFM height images, (b) AFM phase, (c) fibril dimeter, (d) 2D-GIWAXS patterns, (e) 1D IP and OOP profiles from GIWAXS measurements of blend film, (f) CCLs variation derived from 1D IP and OOP profiles of D18:AY2F-ClF, D18:AY2F-BrF, D18:AY2F-IF, and D18:SY-2(FBr) blend.
总结及展望
本项工作通过全局非对称分子骨架与区域规整的局部异质卤化末端的协同策略，完美解决了重卤素取代带来的合成挑战。研究有力证明了溴化异质末端在优化分子排列、提升结晶度以及降低电压损失方面的独特优势。这一突破不仅展示了二元有机太阳能电池在不依赖三元组分的情况下也能实现超过20%的卓越效率，还为未来设计高性能、低能量损失的光伏材料提供了极具启发性的分子设计范式。未来，这种精准调控卤素原子位置与种类的策略有望进一步拓展至柔性及大面积器件领域，加速有机太阳能电池的商业化进程。