纳米中心魏志祥新small：给体端基氟化，全小分子OSCs效率破16%

主要内容

国家纳米科学中心魏志祥研究员、邓丹研究员与湘潭大学易兰花教授强强联合，带领其科研团队开展了一项极具前瞻性与挑战性的研究。他们聚焦于具有完全明确化学结构的全小分子有机太阳能电池（All-small-moleculeorganicsolarcells,ASM-OSCs）。

在有机太阳能电池领域，ASM-OSCs因其独特的优势，成为通过聚集态来深入探究分子结构与器件性能关系的理想模型，对于推动该领域的基础研究和应用发展都有着不可忽视的作用。而端基封端受体单元，凭借其在基本分子间相互作用中的关键角色，对调控聚集态起着决定性影响，是提升ASM-OSCs性能的关键因素之一。

然而，当前针对小分子给体的端基封端受体单元研究存在明显短板。不仅成功应用的案例稀少，而且研究范围过度集中于烷基取代的罗丹明。这种单一的研究局面，使得科研人员在探索ASM-OSCs性能提升的道路上受到极大限制，严重制约了ASM-OSCs的进一步发展。

面对这一困境，研究团队大胆创新，另辟蹊径。他们通过对苄基取代的罗丹明进行氟化处理，成功设计出三种新型端基封端受体。在研究过程中，团队运用了一系列先进的表征技术和精密的实验方法，对氟化位置和氟原子数量对纯膜及共混膜的影响进行了全面而深入的探究。研究结果表明，氟化位置和氟原子数量对纯膜及共混膜的动态成膜过程、聚集态以及光电性能均有着显著且复杂的影响。当与BTP-eC9搭配使用时，具有单一间位氟化端基的MPhS-m-1F脱颖而出，展现出卓越的性能。其光电转换效率（PowerConversionEfficiency,PCE）高达16.10%，在无添加剂ASM-OSCs中处于领先水平，同时电荷载流子调控效率也达到了极高水准。这一突破性成果为开发多样化的高效端基封端单元开辟了崭新路径，为ASM-OSCs性能的提升提供了新的可能，也为后续相关研究提供了宝贵的参考和借鉴。

具体而言，以MPhS-0F为基础，研究团队通过精准调控端基氟化位置和数量，成功设计并合成了三种小分子给体。从分子层面深入分析，端基引入氟原子取代基能够有效增强分子间的相互作用力，促进分子紧密堆积，从而有利于形成更加有序的分子排列结构。但当氟原子取代数量过多时，会改变分子的电子云分布和空间构型，进而降低与BTP-eC9的相容性，影响两者之间的电荷转移和能量传递效率。在单一间位氟化的条件下，MPhS-m-1F在纯给体膜和共混膜中均形成了最为有序且紧密的-堆积结构。这种独特的结构使得分子间的电子云重叠程度增加，有利于电子的离域和传输。适中的相容性确保了BTP-eC9能够更好地聚集在MPhS-m-1F周围，形成有效的电荷传输通道，进而有力促进了电子传输，最终形成了具有理想分离状态的形态结构。该研究深入揭示了端基氟化对分子组装及相互作用的内在调控机制，从分子水平上为理解ASM-OSCs的性能提升提供了新的视角。同时，丰富了给体端基的设计思路，为高效小分子给体的设计提供了切实可行的指导方案，有望推动ASM-OSCs向更高效率、更稳定的方向发展。

文献信息

Crystallinity and Compatibility Regulated by Donor End-Capped Fluorination Enabled Efficiency Over 16% in Additive-Free All-Small-Molecule Organic Solar Cells

Caixuan Wang, Ruimin Zhou, Zi Liang, Dan Deng, Lanhua Yi, Jianqi Zhang, Zhixiang Wei

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202505947