【儀表網 研發快訊】近日，北京理工大學化學與化工學院王金亮教授團隊在新型非對稱硒取代小分子受體材料構筑及其在高性能有機太陽能電池器件化應用方面取得重要進展。相關成果以 “Multiple-Asymmetric Molecular Engineering Enables Regioregular Selenium-Substituted Acceptor with High Efficiency and Ultra-low Energy Loss in Binary Organic Solar Cells”為題，作為熱點論文發表在國際化學頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》(Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202506795)上。北京理工大學為第一通訊單位，化學與化工學院王金亮教授和武漢大學閔杰教授為共同通訊作者，化學與化工學院博士研究生楊燦和武漢大學博士研究生高遠為該論文的共同第一作者。
在“雙碳”戰略背景下，作為新一代光伏技術的代表之一，有機太陽能電池(OSCs)因其具有良好的溶液加工性、輕、薄、柔、半透明等特性而受到學術界和工業界的廣泛關注，并在便攜可穿戴電子、光伏建筑一體化等領域展現出巨大的商業應用潛力。但與晶硅和鈣鈦礦等無機材料的太陽能電池相比，有機太陽能電池仍然面臨因其有機活性層材料具有激子結合能大和載流子遷移率低的固有特性，導致相對較低的開路電壓( V OC)和較大的能量損失( E loss)，尤其是嚴重的非輻射復合能量損失(Δ E 3)，進而導致相對低的能量轉換效率(PCE)。因此，通過采用創新的分子工程來精準調控小分子受體(SMA)的分子間晶體堆積，并同時實現具有較高效率和較低能損的高性能二元OSC是目前該領域亟待解決的關鍵科學問題之一。
圖1. 四個非對稱硒取代受體材料的分子設計策略、分子結構及其光電性質和能級分布
針對上述的關鍵科學問題，國家級領軍人才王金亮教授團隊在前期非對稱取代的有機小分子太陽能電池受體材料的創制及其在高性能有機太陽能電池中的應用研究工作( Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 , 19241, ESI高被引論文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62 , e202216340，ESI高被引論文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62 , e202313016; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61 , e202209454; Energy Environ. Sci ., 2022, 15 , 320，ESI高被引論文等)的基礎上，為了實現更高光電轉化效率和兼具較低能損的非對稱小分子受體材料體系，最近采用一種“核心-側鏈-端基”多重非對稱的分子工程，通過調控端基外圍氟原子和氯原子取代數量和位置，設計合成了兩個雙重非對稱的小分子受體(DASe-4F和 DASe-4Cl)和一對三重非對稱的異構化小分子受體(TASe-2Cl2F和TASe-2F2Cl)，其具有相同的雙重非對稱的硒取代中心核，但具有四種不同氟/氯原子取代數量和取代位置的端基(四氟、四氯、雙氯雙氟、雙氟雙氯)(圖1)。系統地探討了四種區域規整的多重非對稱小分子受體的光電行為、分子間堆積的單晶結構、與聚合物給體PM1的共混形態以及對相應OSCs的光伏性能和能量損失的影響。
圖2. A- O SeF, DASe-4Cl, TASe-2F2Cl的晶體堆積模式及其對應的3D網狀堆積結構
單晶堆積模型(圖2)分析表明：相比于單一非對稱的硒取代核心的A- O SeF，“核心硒取代-側鏈”雙重非對稱的核心骨架導致了受體分子3D堆積模式的改變；具有二氟/二氯雜化端基的三重非對稱受體TASe-2F2Cl呈現出較大的分子間電子耦合相互作用以及更加緊密有序的3D網狀堆積，進一步促進了電荷傳輸性能的提升。從DASe-4F到TASe-2Cl2F、TASe-2F2Cl和DASe-4Cl，純相薄膜中的帶隙變窄，LUMO能級略有降低，分子偶極矩逐漸增大(圖1)。將其分別與聚合物給體PM1共混后，基于PM1:TASe-2F2Cl的共混膜呈現出更明顯的“face-on”分子取向、更緊密的分子間堆積和增強的結晶性以及更合適的相分離形貌。結果，基于PM1:TASe-2F2Cl的二元器件效率高達19.32%，明顯高于基于PM1:DASe-4F (18.27%)，PM1:DASe-4Cl (17.25%)，PM1:TASe-2Cl2F (16.30%)的器件結果(圖3)。基于PM1:TASe-2F2Cl的二元器件取得優異的性能主要歸因于其有效的激子解離和電荷收集、更平衡的電荷傳輸、利好的相分離形貌以及超低的 E loss(0.514 eV)和Δ E 3(0.179 eV)。令人印象深刻的是，19.32%的PCE以及0.514 eV的 E loss和0.179 eV的Δ E 3這樣一個結果是基于硒取代核心的非對稱小分子受體在二元本體異質結型有機太陽能電池器件中的最高值。此外，TASe-2F2Cl與其他流行的聚合物給體(如D18和PM6)匹配后表現出良好的普適性，在相應的二元器件中呈現出了不錯的PCE值和超低的能損。
綜上所述，這項系統性的工作為結合雙重非對稱的硒取代中心核(DAD核心)以及氟/氯代端基雜化數量和位置的調制提供了寶貴的見解，并強調了“端基-核心-側鏈”三重非對稱的分子設計策略是調節分子堆積行為和混溶性、改善器件性能參數之間的權衡、實現效率突破以及同步打破硒基受體的二元OSC中能損極限的頗具前景的有效途徑之一。
圖3. 四種非對稱硒取代受體材料的有機太陽能電池器件性能對比
上述研究工作得到了國家自然科學基金項目、國家級青年人才項目、北京市自然科學基金本科生“啟研”計劃、北京理工大學特立青年學者計劃、北京理工大學研究生科研水平和創新能力提升專項計劃重點項目、特立學生科技創新團隊項目以及北京市光電轉換材料重點實驗室和北京理工大學分析測試中心的支持。北京大學姚澤凡副研究員、韓國高麗大學Han Young Woo教授、化學與化工學院安橋石特別研究員和王楠副教授、中科院化學所朱曉張研究員團隊給予了大力支持。
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