浙大陈红征小分子受体接枝噻吩环OSCs非辐射能量损失“一降到底”

主要内容

在有机太阳能电池（OSCs）的研究中，非辐射能量损失（ΔEnrs）是制约其光电转换效率（PCEs）提升的关键因素之一。非辐射能量损失主要源于激子在复合过程中以非辐射的形式释放能量，这会导致电池的输出电能减少，从而限制了光电转换效率的提高。因此，降低非辐射能量损失对于实现高效有机太阳能电池至关重要。

为攻克这一难题，浙江大学陈红征教授、施敏敏教授带领其团队展开深入研究。团队聚焦于常见的小分子受体（SMA），通过在其末端引入不同给电子能力的基团进行改性。具体而言，分别在常见小分子受体的末端连接噻吩、2 - 甲基噻吩和2 - 氯噻吩环，成功设计合成了三种新型小分子受体TIC、MTIC和CTIC。引入不同噻吩环预期会改变小分子受体的电子云分布，进而影响其分子内电荷转移（ICT）效应。

实验结果表明，随着噻吩环给电子能力逐渐增强，这三种新型小分子受体的ICT效应呈现出按CTIC＞TIC＞MTIC顺序逐渐减弱的特性。这是因为给电子能力强的基团会使分子内的电子云更偏向该基团一侧，从而增强ICT效应；反之，给电子能力弱的基团对电子云的吸引作用相对较小，ICT效应也就较弱。

与之相反，基于CTIC、TIC和MTIC的有机太阳能电池的电致发光量子效率（Electroluminescence Quantum Efficiency，EQEEL）却呈单调递增趋势，分别达到0.27%、0.36%和0.44%。这是因为ICT效应的减弱减少了激子在复合过程中的非辐射能量损失，使得更多的能量能够以光的形式发射出来，从而提高了电致发光量子效率。同时，对应的ΔEnrs则逐渐降低，依次为0.153 eV、0.145 eV和0.140 eV，这些数值均为目前有机太阳能电池中的最佳值之一。

这种化学改性不仅影响了ICT效应，还对小分子受体的分子堆积产生了影响。相较于BTP - eC9，这三种新型小分子受体由于化学结构的改变，分子间作用力发生变化，使得分子堆积变得相对松散。松散的分子堆积结构有利于电荷的传输和分离，减少了电荷复合的概率，进而提升了光致发光性能，使得其辐射复合概率逐渐增加。因此，基于CTIC、TIC和MTIC的有机太阳能电池展现出了令人惊叹的电致发光量子效率，且与三种小分子受体ICT效应的减弱趋势高度吻合，最终实现了极低的非辐射能量损失。

此外，团队进一步探索了CTIC的应用潜力。当将CTIC引入经典的PM6:BTP - eC9二元体系时，CTIC作为第三组分可以调节二元体系的能级结构，优化电荷的传输和收集，从而使得所得的三元有机太阳能电池的开路电压（Voc）提升至0.864 V，进而实现了更高的光电转换效率，达18.82%。

本研究充分表明，削弱小分子受体的ICT效应是实现有机太阳能电池能量损失降低的有效策略。浙江大学陈红征教授、施敏敏教授团队的这一研究成果，不仅为高发光性小分子受体的分子设计提供了有价值的参考，还为开发高效有机太阳能电池开辟了新的途径。未来，基于该研究成果的分子设计策略有望应用于更广泛的有机光伏材料体系，推动有机太阳能电池在可穿戴设备、分布式能源等领域的实际应用，为解决能源问题做出更大贡献。

文献信息

AttachingElectron-DonatingThiopheneRingsonSmallMoleculeAcceptorsforOrganicSolarCellswithUltra-LowNonradiativeEnergyLosses

YechengShen,YimingWang,YimeiZhang,ChenheWang,YuxuanZhu,YiboKong,AdiljanWupur,CaiweiZhang,MengtingWang,ChangGao,XiukunYe,ZaifeiMa,HaimingZhu,MinminShi,HongzhengChen

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/solr.202500614