【Adv.Mater.】 高达20.53% 的有机太阳能电池效率突破：外侧烷基链支化比例的关键作用

文章标题：Effect of Branching Proportion of Outer Alkyl‐Chains on Encapsulation Effect and Charge Transport of A‐DA′D‐A Type Small Molecule Acceptors
通讯作者：Xiaojun Li, Yuechen Li
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.72692

文章概要

引言

有机太阳能电池（OSCs）因轻质、柔性和低成本加工等优势，在近年实现了超过20%的光电转换效率（PCE）。其中，A-DA′D-A型小分子受体（SMAs）是推动这一进展的核心材料。研究发现，外侧烷基链不仅影响溶解性，更深刻地决定了分子构型、堆叠方式和薄膜形貌。然而，烷基链包裹效应这一关键因素长期被忽视，它会阻碍分子间的π–π作用，破坏导电网络，从而限制电子传输性能。

主要实验及结论

研究团队系统设计了四种具有不同外侧烷基链支化比例的SMAs：BT06-F（0%）、BT15-F（12.5%）、BT24-F（25%）、BT33-F（37.5%）。通过核磁共振、单晶X射线衍射、GIWAXS和分子动力学模拟等手段，揭示了支化比例对分子堆叠模式和电子耦合的深刻影响。

实验结果表明：

• 线性烷基链（BT06-F） 虽能保持较短的分子间距，但易形成C型和Y型堆叠模式，导致严重的包裹效应，破坏导电网络。
• 高度支化烷基链（BT24-F、BT33-F） 有效抑制包裹效应，但过度的空间位阻增加了分子间距，削弱了电子耦合，造成吸收蓝移和带隙增宽。
• 适度支化的BT15-F实现了最佳平衡：既能抑制包裹效应，又保持较强的分子间电子耦合，形成更连贯的导电网络。其电子迁移率提升至7.14 × 10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹，最终在D18:BT15-F二元器件中实现了20.53%的PCE，为目前报道的最高水平之一。

总结及展望

本研究首次明确提出并验证了烷基链包裹效应对小分子受体性能的限制作用，并通过精确调控外侧烷基链的支化比例，提供了一条有效的分子设计路径。BT15-F的成功案例表明，适度支化是实现长程与短程电荷传输平衡的关键。 这一发现不仅为未来高效有机太阳能电池的分子设计提供了清晰的结构—性能—器件关系图谱，也为突破二元及多元OSCs效率极限开辟了新方向。

这项工作强调了烷基链结构调控的重要性，未来研究可进一步探索不同支化方式、链长和取代基的协同效应，以推动有机光伏材料迈向更高效率与更优稳定性。