北京
主要内容
卤化作用在提升有机太阳能电池（OSCs）性能方面扮演着举足轻重的角色。它就像一把精准的“手术刀”，能够巧妙地调控分子堆积方式、优化能级分布，并改善电荷动力学特性，进而显著增强电池的整体性能。
由香港理工大学李刚教授、马睿杰教授与深圳大学杨楚罗教授、罗正辉教授共同领衔的联合研究团队，在有机太阳能电池领域取得了令人瞩目的突破。该团队成功研发出三种以苯并[a]吩嗪为核心的新型小分子受体材料，分别命名为NA5、NA6和NA7。随后，他们系统且深入地评估了这三种材料在邻二甲苯加工的二元及三元OSCs体系中的光伏性能。
研究结果表明，卤化作用具有多方面的积极影响。它可以增强分子间的相互作用力，提高载流子在材料中的迁移率，还能有效促进激子的解离过程。在这些有利因素的共同作用下，二元器件的效率实现了质的飞跃，从使用NA5时的约2%大幅提升至使用NA6和NA7时的17%以上。然而，科学探索的道路并非一帆风顺，卤化作用也并非十全十美。
它同时会增强电荷转移态（CT）的特性，而这往往会引发更高的非辐射复合损失，成为制约电池性能进一步提升的“绊脚石”。不过，值得庆幸的是，卤化作用带来的电荷分离驱动力增强以及形貌有序性改善等优势，如同“及时雨”一般，足以抵消其对能量损失造成的负面影响。
在这系列研究中，一个尤为引人注目的成果是，当把NA7引入PM6:BTP-eC9三元体系后，仿佛为电池性能的提升注入了一剂“强心针”。共混物的形貌得到了显著优化，非辐射复合现象被有效抑制。最终，该体系实现了20.14%的光电转换效率（认证值19.93%），一举创下了碳氢化合物溶剂加工OSCs的最高效率纪录。这一卓越成果不仅生动地展现了卤化作用在调控器件能量学中“利弊共存”的独特双重特性，更通过巧妙的分子设计策略，为在激子解离与能量损耗之间寻求平衡提供了关键的解决思路。
为了深入探究卤化作用背后的机制，团队进一步运用含时密度泛函理论（TD-DFT）和外量子效率-电致发光（EQE-EL）分析展开研究。结果证实，卤化作用会系统性地提高CT态的占比，进而导致非辐射复合损失增加。这一机制性发现清晰地揭示了卤化作用在促进激子解离的同时，也悄然引入了新的能量耗散通道，就像在提升性能的道路上设置了一个“隐形陷阱”。为了巧妙地绕过这个“陷阱”，团队将卤化受体NA7引入三元共混体系。通过抑制重组能、降低CT占比等有效手段，大幅减少了非辐射损失。与此同时，飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）与光诱导力显微镜（PiFM）研究也证实，该体系依然能够保持高效的电荷分离与传输特性，确保了电池性能的稳定提升。PM6:BTP-eC9:NA7三元器件所展现出的卓越性能，充分验证了三元策略通过整合各组分优势实现效率最大化的有效性，为有机太阳能电池的发展开辟了一条新的道路。
此项具有开创性的研究由香港理工大学与深圳大学联合团队主导完成。它不仅极大地深化了我们对卤化作用调控器件物理过程的理解，更为开发可持续、高效率且具备商业可行性的有机太阳能电池提供了极具前瞻性和实用性的分子设计路径，有望推动有机太阳能电池从实验室走向实际应用，为清洁能源领域的发展注入新的活力。
文献信息
Halogenation-Engineered Acceptor Enables 20.14% Efficiency in Hydrocarbon-Solvent Processed OSCs: From Binary Trade-Offs to Ternary Synergy in Exciton and Energy Loss Management
Jun Zhang, Weifei Wei, Zhenghui Luo, Zhanxiang Chen, Ruijie Ma, Mengyang Wang, Yongmin Luo, Yi Chan, Zhaozhao Bi, Yao Li, Jiaying Wu, Qunping Fan, Wei Ma, Gang Li, Chuluo Yang
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202512237
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