研究主旨与现实瓶颈#

在柔性、轻便且低成本的新一代光伏技术中，有机太阳能电池展现出巨大的应用潜力。近年来，借助非富勒烯受体材料的快速更新与器件工程的不断突破，有机太阳能电池的光电转换效率已经跨过了百分之二十的大关。然而，相比于无机太阳能电池或钙钛矿太阳能电池，有机光伏材料固有地具备较低的介电常数和较高的激子结合能，导致器件在将光能转化为电能的过程中，不可避免地会产生较大的能量损失。这种能量损失主要来自非辐射复合过程，它会极大地限制器件的开路电压，从而成为阻碍有机太阳能电池效率进一步提升的核心瓶颈。为了解决这一难题，在原本由给体和受体构成的双组分体系中引入“第三组分”构建三元混合体系，成为了当前公认最有效的策略之一。第三组分的加入能够优化活性层的微观形态，并有效抑制非辐射复合。但是在实际研发中，如何精准设计和挑选适合的第三组分客体分子，长期缺乏明确且具体的理论指导，大多依赖于经验性的盲目尝试。

理论创新与静电势点位效应#

为了破除第三组分筛选缺乏精准理论指引的困境，研究团队创新性地提出了静电势点位效应这一全新概念。以往的研究在考察分子静电势对材料性能的影响时，大多只关注整个分子的平均静电势高低。但研究团队发现，即使两个同分异构体分子拥有完全相同的化学成分、共轭骨架、能量层级以及相近的平均静电势，只要精确调整其末端取代基团（例如氟原子）的位置，就能在不改变整体平均静电势的前提下，显著改变分子局部区域的静电势分布。基于这一设计思路，研究人员合成了两种异构客体受体分子：ZY-SCF3-N2F（氟原子定位于萘环邻位）和ZY-SCF3-B2F（氟原子定理论于苯环邻位）。两种分子均在中央核心引入了具有强电子拉回能力和优异脂溶性的三氟甲硫基，并在末端引入萘环以扩大共轭面积。量子化学计算与实验验证表明，ZY-SCF3-B2F由于末端碳原子上产生了超过6 kcal/mol的巨大静电势差异，赋予了分子更大的偶极矩和更强的分子间相互作用，从而驱动分子形成更加紧密且有序的堆积结构。

Fig.1 (a) The chemical structures of ZY-SCF3-N2F and ZY-SCF3-B2F. (b) Electrostatic potential distributions and dipole moments of ZY-SCF3-N2F and ZY-SCF3-B2F. (c) Average ESP distribution of carbon atoms of the backbones on the BTP-eC9, ZY-SCF3-N2F, and ZY-SCF3-B2F. (d) The average ESP of the carbon atoms at the terminal groups and along the molecular backbone. (e) The corresponding intensity profiles of GIWAXS measurements for ZY-SCF3-N2F and ZY-SCF3-B2F along the out-of-plane (solid lines) and in-plane (dashed lines) directions. (f) Excited-state electron–hole distributions (blue represents holes, green represents electrons). (g) Smooth description of holes and electrons and the electron–hole centroid distance. (h) The contribution of molecular parts to holes, electrons and hole–electron overlaps; net charge transfer amount between molecular parts of ZY-SCF3-N2F and ZY-SCF3-B2F.

实验验证与器件性能突破#

研究团队将这两种异构客体分子分别作为第三组分引入到经典的PM6/BTP-eC9主体体系中，成功制备了伪平面异质结有机太阳能电池，以验证静电势点位效应对器件光电性能的调控作用。测试结果表明，两种客体分子的引入都能够优化能量层级匹配，增强光子捕获能力，并有效抑制非辐射复合。但得益于静电势点位效应，具有更大末端静电势差的ZY-SCF3-B2F表现出了显著优于异构体ZY-SCF3-N2F的微观调控能力。在活性层薄膜中，ZY-SCF3-B2F诱导产生了更小的分子间π–π堆积距离（3.59 Å） 和更高的结晶相干长度，促使三元混合物形成了更加理想的垂直相分离和互穿网络结构。这种优化的微观形貌极大地促进了激子的解离与电荷的传输，使光生载流子的复合被降至极低水平。

在最终的器件测试中，基于PM6/BTP-eC9高达20.53%的光电转换效率，不仅远高于未添加客体的二元参照器件（19.32%），也优于异构客体ZY-SCF3-N2F构成的三元器件（20.12%）。20.53%的效率是目前基于PM6/BTP-eC9体系所报道的最高数值之一，并且实现了开路电压、短路电流密度与填充因子的协同提升。

Fig.2 (a) Schematic illustration of the active layer of PPHJ. (b) UV–vis absorption spectra of PM6, BTP-eC9, ZY-SCF3-N2F, and ZY-SCF3-B2F in solution and film states. (c) The energy level diagrams of the materials. (d) The J–V characteristic curves of PM6/BTP-eC9, PM6/BTP-eC9 and PM6/BTP-eC9 optimal devices. (e) A brief summary of PCE versus VOC for OSCs from this work and previous studies based on PM6/BTP-eC9 ternary systems. (f) The corresponding EQE spectra. (g) Exciton dissociation (Pdiss) and charge collection efficiency (Pcoll) of these OSCs. (h) Dependence of JSC and VOC on light intensity. (i) Carrier mobility of devices based on PM6/BTP-eC9, PM6/BTP-eC9, and PM6/BTP-eC9.

Fig.3 (a–c) The normalized s-EQE and EL data of PM6/BTP-eC9, PM6/BTP-eC9, and PM6/BTP-eC9. (d) Eu and (e) EQEEL for these different devices. (f) The histogram of the energy loss at devices. Fig.4 The (a) TA profiles and (b) spectra recorded for PM6/BTP-eC9, PM6/BTP-eC9, and PM6/BTP-eC9 (at 0.1, 1, 10, 100, 1000 ps time delay). (c) Hole transfer kinetics comparison of PM6/BTP-eC9, PM6/BTP-eC9, and PM6/BTP-eC9 blend films. (d) Parameters of hole transfer process in binary and ternary blend films. (e) Photoluminescence profiles, (f) lifetime imaging and (g, h) lifetime distribution histograms of PM6/BTP-eC9, PM6/BTP-eC9, and PM6/BTP-eC9. Fig.5 (a) 2D GIWAXS images and (b) corresponding intensity profiles along the out-of-plane (solid lines) and in-plane (dotted lines) directions of PM6/BTP-eC9, PM6/BTP-eC9, and PM6/BTP-eC9. (c) 2D GISAXS images and (d) horizontal line cuts taken at the Yoneda peak of these blend films. (e) AFM height images.

应用价值与未来展望#

本项研究成功验证了通过精准调控分子局部静电势分布来优化活性层微观形貌和降低能量损失的可行性，从微观电子结构层面阐明了局部静电势分布对材料宏观光电性能的决定性作用。这不仅为高效率三元有机太阳能电池的客体分子设计与筛选提供了极具操作性的理论依据，也为未来开发更低能量损失、更高转换效率的有机光伏器件开辟了全新的分子设计路径。