南开陈永胜：全新"中心硝化策略”在有机光伏中的卓越表现

主要内容

对小分子受体（Small Molecular Acceptors, SMAs）开展硝化处理，是提升其光电性能领域备受关注的有效策略。从原理上讲，这种处理手段能够在不破坏分子固有平面性的前提下，有效增大分子的偶极矩以及相对介电常数。而相对介电常数的增大，对于增强材料对电荷的捕获与存储能力至关重要，进而有望显著提升有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSCs）的整体性能，为开发高效能源转换器件提供新的可能。

然而，目前广泛应用的末端基团硝化策略却存在不容忽视的局限性。在化学反应过程中，末端硝化不可避免地会降低SMAs的最低未占据分子轨道（Lowest Unoccupied Molecular Orbitals, LUMOs）能级。LUMO能级的降低会直接导致OSCs的开路电压下降，而开路电压作为衡量电池性能的关键指标之一，其降低无疑会严重限制电池效率的进一步提升，成为制约有机太阳能电池发展的瓶颈问题。

面对这一亟待解决的科学难题，南开大学陈永胜教授与姚朝阳研究员团队凭借深厚的学术积累和敏锐的科研洞察力，展开了深入系统的研究。他们通过细致的分子结构分析与理论计算，敏锐地发现CH系列受体的中心单元上存在额外的活性位点。这些活性位点为硝化反应提供了全新的作用靶点，为突破传统硝化策略的局限带来了希望。基于此重要发现，团队大胆创新，提出在中心单元而非末端基团上进行逐步硝化的策略，并经过反复实验与优化，成功构建了两种新型SMAs——CH1NO和CH2NO。

中心硝化策略在实际应用中展现出了多方面的显著优势。从电荷传输的角度来看，该策略使材料具有较大的相对介电常数，这一特性极大地增强了材料对电荷的捕获和存储能力，为电荷的高效传输提供了有利条件。同时，中心硝化促进了分子间形成更加有序的堆积结构，这种优异的分子堆积方式进一步优化了电荷传输通道，减少了电荷在传输过程中的散射和复合损失。特别是对于CH1NO而言，其在活性层中呈现出了独特的纤维状形貌。这种纤维状形貌不仅增大了材料的比表面积，为电荷的传输提供了更多的路径，而且有利于形成连续的导电网络，从而显著提高了电荷的收集效率。更为关键的是，与末端硝化不同，中心硝化对SMAs的LUMO能级影响极小，有效地避免了开路电压的显著降低，为提高电池效率奠定了坚实基础。

基于上述独特的性能优势，基于CH1NO的二元有机太阳能电池在性能测试中展现出了卓越的表现。其光电转换效率（PCE）达到了18.57%，这一数值显著高于基于CH2NO的有机太阳能电池（15.58%）。深入探究其内在机制发现，CH1NO具有更宽的光电响应范围，能够吸收更多不同波段的光子，从而将更多的光能转化为电能，提高了光电流输出。同时，其电荷转移/传输动力学特性得到了显著改善，电荷在给体/受体（D/A）界面处的转移更加迅速高效，在材料内部的传输过程中的复合概率大幅降低，进而提高了电荷的收集效率，最终实现了电池效率的大幅提升。

为了进一步验证中心硝化策略的普适性和优越性，团队在CH系列SMAs的二维共轭扩展分子平台上，对中心单元实施了精准的硝化处理，成功制备了含有一个或两个硝基的两种受体材料CH1NO和CH2NO。从分子结构与性能的关系来看，得益于硝基的强吸电子特性和离域π体系，CH1NO和CH2NO均展现出了较大的偶极矩。较大的偶极矩增强了分子间的相互作用力，促进了分子之间的紧密堆积，形成了更加稳定的分子结构。此外，尽管CH2NO上的硝基存在多种构象，但这两种受体材料仍能保持整体平面骨架结构。这种稳定的平面骨架结构确保了分子在薄膜状态下的有序排列，有利于形成连续的导电通道，从而保证了材料性能的稳定性和可靠性。与CH2NO相比，CH1NO在介电常数、光电响应范围以及给体/受体（D/A）共混物的形貌等方面均表现出明显优势，进一步充分证实了中心硝化策略的有效性和可行性。

综上所述，本研究由南开大学陈永胜教授与姚朝阳研究员团队主导完成。研究不仅创新性地将中心硝化策略引入SMAs的改性研究，确立了其作为传统SMAs卤化方法的一种极具前景的替代方案，更为重要的是，为同时优化介电常数和薄膜形貌提供了一种潜在且高效的策略。这一研究成果有望推动有机太阳能电池领域向更高效率、更低成本的方向发展，为解决全球能源问题提供新的思路和技术支持。

文献信息

ExploringNitrationEffectsontheTwo-DimensionallyExtendedCentralUnitofAcceptorsforOrganicPhotovoltaics

JiaqiLi、YuLi、KaiyuanWang、ZhenjieZhang、ShuhuiDing、ZhaoyangYao、YaxiaoGuo、ChenxiLi、XiangjianWan、YongshengChen

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.5c01702