南开陈永胜： 20.6%中心核扭绞构建受体抑制二元OSCs中非辐射损耗

主要内容

在不影响短路电流密度和填充因子的前提下设计非辐射能量损失低的受体材料，仍是实现高效有机太阳能电池的关键挑战。为此，南开大学陈永胜、万相见与苏州大学陈先凯等人联合设计并合成了两种具有中心核扭曲构象的受体材料（命名为 a-Th2Cl 和 a-Th2Br），其核心设计亮点是通过单键连接，将氯化和溴化噻吩单元引入 Y 系列受体的中心吡嗪核，突破了传统的中心核共轭延伸受体设计思路。

单键周围的旋转使分子形成扭曲构象，有效抑制了从溶液到薄膜转变过程中的聚集诱导猝灭（ACQ）效应，同时维持了高效的分子间堆积，既有利于提升光致发光量子产率，也为降低非辐射能量损失（ΔEnr）奠定了基础。X 射线晶体结构分析表明，a-Th2Br 呈现出独特的分子堆积行为，具有强 J - 聚集特性；理论模拟则显示，与基准受体 L8-BO 相比，a-Th2Br 聚集体的激发态电荷转移程度降低、荧光振子强度增强，这也合理解释了两种受体薄膜及对应器件兼具高光致发光量子产率和低非辐射能量损失的原因。值得注意的是，尽管 a-Th2Cl 和 a-Th2Br 与 L8-BO 具有相同的光学带隙，但二者的 ΔEnr 值分别低至 0.202 eV 和 0.194 eV，显著优于 L8-BO 的 0.229 eV。

此外，这两种受体与给体材料 PM6 共混时，均能形成优异的本体异质结形貌。最终，基于 PM6:a-Th2Cl 和 PM6:a-Th2Br 的二元有机太阳能电池，光电转换效率（PCE）分别达到 19.87% 和 20.60%（其中 a-Th2Br 体系认证效率为 20.05%）；尤其是 PM6:a-Th2Br 器件，还实现了 0.914 V 的高开路电压（Voc）、27.67 mA・cm⁻² 的短路电流密度（JSC）和 81.47% 的填充因子（FF），成为国际上少数同时提升三大关键性能参数、效率突破 20% 阈值的二元有机太阳能电池（OSCs）之一。这些结果凸显了中心核扭曲构象分子设计的独特优势与潜力，尤其是在调控分子堆积方面的关键作用，也证实了中心核工程策略可同时实现非辐射损失的抑制与高短路电流密度、高填充因子的兼顾，为高性能受体材料的开发提供了重要指导。

文献信息

CentralCore-TwistedConformationAcceptorsAchieving20.60%EfficiencyviaSuppressionofNonradiativeLosseswithoutSacrificingCurrentandFillFactorinBinaryOrganicSolarCells

RuohanWang，XiaodongSi，LeMei，WenkaiZhao，WendiShi，Xian-KaiChen，GuangkunSong，LongyuLi，ZhengXiao，ZhaoyangYao，GuankuiLong，ChenxiLi，XiangjianWan，YongshengChen

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c13302