山大高珂AFM新成果：垂直相梯度促解离，ASM OSCs效率达17.66%

主要内容

山东大学高珂教授、孙延娜副教授与山东理工大学冯奕钰教授强强联合，共同率领科研团队聚焦全小分子有机太阳能电池（All-Small-MoleculeOrganicSolarCells,ASMOSCs）展开了深入且系统的研究。

在ASMOSCs的研究体系中，小分子给体（Small-MoleculeDonors,SMDs）和小分子受体（Small-MoleculeAcceptors,SMAs）由于自身结构具有高度均一性，这种特性从本质上对电池的形貌优化以及效率提升形成了制约。在此背景下，合理的分子工程策略显得尤为关键。通过精准设计分子结构，能够实现对堆积结构的优化以及对形貌的有效调控，进而改善激子解离动力学过程，最终提升器件的整体性能。

尽管当前相关领域的研究已经取得了颇为显著的进展，然而，针对小分子受体末端多卤化与激子解离机制、垂直组分梯度之间复杂关联性的探索，尤其是在高性能ASMOSCs这一细分领域，相关研究仍然十分匮乏。

鉴于此，该团队精心设计并采用了两种带有不同卤素末端的噻吩并[3,2-b]噻吩功能化小分子受体，通过定制化的分子结构，系统且深入地研究了末端多卤化对分子堆积行为以及激子/电荷动力学产生的影响。研究结果表明，基于多卤化6TR-FBr的共混物呈现出独特的垂直自分层结构，具体表现为底部区域富集给体材料，上部区域富集受体材料，并且分子在该结构中的堆积更有序、更紧密。这种特殊的结构特征使得该共混物在激子解离和电荷传输方面表现出色，不仅促进了激子的有效解离，加速了电荷的传输过程，同时还显著抑制了双分子复合现象的发生。

基于上述重要研究成果，基于DAPor-DPP:6TR-FBr的二元ASMOSCs实现了17.05%的效率提升。为了进一步挖掘电池的性能潜力，团队进一步引入6TIC作为结晶度调节剂。实验数据显示，引入6TIC后，电池效率提升至17.66%，这一成绩在目前已报道的高性能ASMOSCs中处于领先地位。

团队并未止步于此，而是继续深入探究背后的作用机制。研究发现，引入末端多卤化这一操作，能够系统地揭示分子构型、垂直相梯度与分子间堆积之间的内在关系，并从根本上剖析它们与激子解离动力学以及ASMOSC性能之间的复杂联系。具体来说，当在6T-2R主链上引入协同的氟（F）/溴（Br）双取代基时，可以精准调控受体6TR-FBr的聚集行为，同时优化活性层内的分子间π-π堆积结构。这些分子间作用力如同无形的“手”，促使DAPor-DPP:6TR-FBr共混物自发形成垂直分层结构，使得富给体相和富受体相能够沿着垂直轴有序分离，并且在分离的同时保持更紧密的π-π堆积状态。

最终，在这种优化的结构下，DAPor-DPP:6TR-FBr共混物成功实现了有效的激子解离、高效率的电荷传输以及显著抑制的电荷复合，使得二元器件效率达到17.05%。而引入与6TR-FBr结构相似的6TIC作为结晶度调节剂后，进一步将光电转换效率（PCE）提升至17.66%。基于这些研究成果，该团队提出了一种简单而有效的策略：将末端多卤化取代基作为“形貌导向基团”，这一策略为调控体相异质结形貌和提升器件性能开辟了一条全新的途径，有望推动ASMOSCs领域向更高性能的方向发展。

文献信息

Terminal Multi-Halogenated Acceptor-Induced Vertical Phase Gradient Promoting Exciton Dissociation Kinetics for Efficient All-Small-Molecule Organic Solar Cells

Xiao Ma, Yuanyuan Kan, Lei Wang, Huanhuan Gao, Jinwei Chen, Xuelian Chen, Meiyuan Zu, Jianan Zheng, Xunchang Wang, Xianshao Zou, Renqiang Yang, Guangye Zhang, Cheng Zhou, Yanna Sun, Yiyu Feng, Ke Gao

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202517517