Fluolab【Angew.Chem.】三元受体突破 20.23%：精细调控烷基连接位点的有机太阳能电池研究进展
文章标题： Trimeric Acceptors with Fine‐Tuned Alkyl‐Linkage Sites for 20.23% Efficiency and Stable Organic Solar Cells
通讯作者： Qunping Fan, Wei Ma
文章链接： https://doi.org/10.1002/anie.6120368
文章概要
引言
有机太阳能电池（OSCs）因其轻质、柔性、可溶液加工等优势而备受关注。自 2019 年 Y 系列小分子受体（Y-SMAs）问世以来，器件效率迅速突破 20%，但其较低的玻璃化转变温度（Tg）导致活性层在热应力下易发生相分离，影响长期稳定性。为解决这一问题，研究者提出了聚合化小分子受体（PSMAs）与巨分子受体（GMAs）策略，其中 GMAs 兼具小分子结构明确与高分子稳定性优势，成为提升效率与稳定性的潜力方向。
然而，现有 GMAs 多为二聚体结构，仍主要呈现单体特性，限制了进一步提升稳定性。三聚体 GMAs 虽具备更接近聚合物的特性，但因合成复杂、结构调控机制不清晰而鲜有高性能报道。本研究通过精细调控烷基连接位点，设计四种三聚体 Y-GMAs（统称 3Y-site 系列），系统揭示连接位点对构象、堆积、光电性质及器件性能的影响，最终实现 20.23% 的纪录效率。
主要实验及结论
研究团队设计了四种三聚体受体：3Y-Wing、3Y-End、3Y-WEW 与 3Y-EWE，它们共享相同的烷基化连接链，但连接位点不同。通过系统的光谱、电化学、分子动力学模拟、形貌表征与器件测试，研究揭示了连接位点对材料性能的深刻影响。
首先，在光吸收与能级方面，3Y-Wing 由于氟化程度更高、构象更平面，展现出更强的分子间相互作用与更大的吸收红移。其电子迁移率显著高于其他三种受体，LUMO 能级随氟化程度增加而逐渐降低，导致器件开路电压略有下降，但短路电流与填充因子显著提升。
其次，分子动力学模拟显示，3Y-Wing 具有最规整的构象与最紧密的 π–π 堆积距离，其自由体积比最低，意味着更稳定的固态形貌。其玻璃化转变温度（Tg）最高，进一步提升了热稳定性。
在器件性能方面，研究者分别构建了二元 PM6:3Y-site 与三元 PM6:L8-BO:3Y-site 器件。随着氟化程度增加，器件的短路电流与填充因子逐步提升，3Y-Wing 表现最优。二元器件中，PM6:3Y-Wing 达到 15.0% 的效率；三元器件中，PM6:L8-BO:3Y-Wing 达到 19.1%。进一步将 3Y-Wing 引入经典 D18:L8-BO 体系中，效率提升至 20.23%，刷新三聚体 GMAs 的最高纪录。
光物理过程分析表明，3Y-Wing 体系具有更快的激子解离、更高的电荷收集效率、更低的复合损失。形貌表征（AFM、GIWAXS、GISAXS）进一步证实其具有更高的结晶性、更理想的相分离尺度与更均匀的垂直分布，有利于电荷传输与抑制复合。
在稳定性方面，3Y-Wing 器件在热老化、光照老化与储存稳定性测试中均保持最高的性能保持率，体现出其在实际应用中的潜力。
总结及展望
本研究通过精细调控三聚体受体的烷基连接位点，系统揭示了分子构象、堆积方式与光电性能之间的结构–性能关系。四种三聚体受体中，3Y-Wing 以其更平面、更规整、更强相互作用的分子结构，在吸收、迁移率、结晶性、形貌稳定性等方面全面领先，最终实现 20.23% 的纪录效率，并展现出优异的热、光与储存稳定性。
该研究不仅提供了高性能三聚体受体的设计策略，也为未来开发兼具高效率与高稳定性的有机光伏材料提供了重要思路。随着对连接位点调控机制的深入理解，更多具有聚合物特性的多聚体受体有望被开发，为有机太阳能电池的商业化奠定基础。