万相见&陈永胜：高性能 CH 系列有机光伏非富勒烯受体

南开大学陈永胜、万相见等人聚焦高效、稳定有机光伏材料的创新设计与器件性能优化，针对非富勒烯受体的分子结构调控、聚集行为优化与光电机制革新开展了系统性研究。ITIC、Y6等非富勒烯受体（NFA）材料的快速迭代发展，已将有机太阳能电池（OSC）的光电转换效率（PCE）提升至21%以上。但相较于无机光伏器件，有机光伏体系仍存在显著效率短板，在带隙相近的前提下，器件开路电压的差距尤为突出。该性能差异本质源于两类体系非辐射复合能量损耗的巨大差异：有机太阳能电池的能量损耗普遍高于0.2 eV，而无机光伏器件的损耗仅为0.03~0.04 eV。有机光伏难以抑制的非辐射复合损耗与其材料本征特性密切相关，主要包括分子骨架柔性较强、分子聚集体松散无序、激子结合能偏大等缺陷。因此，想要进一步突破有机太阳能电池的效率瓶颈，必须通过分子设计实现单分子本征特性与聚集行为的多尺度协同调控。

基于现有研究瓶颈，该团队系统梳理了有机电子受体材料的发展脉络，重点剖析了主流Y6系列高效受体分子骨架在分子堆积模式、光动力学特性等方面的突出优势，同时明确指出Y系列分子主链结构优化空间趋于饱和，难以支撑器件性能的跨越式提升。为突破传统分子设计的固有局限，该团队创新研发了一类具有二维扩展共轭结构、多官能化中心核的新型受体-给体-受体（A-D-A）构型CH系列非富勒烯受体，并系统阐释了该系列材料的三大核心创新优势：其一，依托氟-氢、氟-硫、π-π堆叠等多重分子间弱相互作用，精准调控分子堆积取向，构筑多维长程有序的堆积结构，有效削减器件内部能量损耗通道；其二，突破传统二聚、三聚及聚合型受体的设计壁垒，通过中心核融合与偶联策略，创新性构建刚性多端基功能化二聚/三聚型非富勒烯受体，显著强化分子间堆积作用与电荷传输能力；其三，提出中心核“功能重构”原创设计策略，为挖掘有机光伏材料全新光电转换机制、突破性能上限提供了全新技术思路。

凭借独特的分子结构优势，基于CH系列非富勒烯受体构建的二元有机太阳能电池最优光电转换效率已接近21%，跻身当前高性能非富勒烯受体材料第一梯队。该类分子的中心核富含化学反应活性位点，可实现分子结构的精细化、多元化调控，具备极大的性能优化潜力（补充表S1、补充图S1）。但相较于工艺成熟的Y系列受体，CH系列受体的中心核合成流程更为复杂，存在规模化制备难度大、制备成本偏高的问题。目前该团队主要基于Y系列氮硫杂环骨架衍生制备CH系列受体，合成收率处于中等至优异水平，后续将重点开发简便、高效的合成工艺，推进该类材料的产业化落地。此外，CH系列受体器件虽已展现出优异的长效工作稳定性，但尚未在严格可控的实验条件下与Y系列材料完成系统性对照测试，其本征稳定性优势仍需进一步量化验证。

围绕CH系列非富勒烯受体基有机太阳能电池的性能迭代升级，该团队提出了三条极具应用前景的发展方向。首先，过高的能量损耗是有机光伏器件性能难以赶超顶级无机光伏的核心壁垒，损耗问题由有机半导体激子结合能大、分子堆积有序度低、活性层本体异质结形貌非理想等材料本征特性与器件制备缺陷共同导致。研究证实，对CH系列受体中心核进行精准微观结构修饰，可有效优化分子堆积方式、降低激子结合能；通过精细化分子结构工程与聚集行为可控调控，可进一步抑制分子无序堆积、减小激子束缚能，推动器件能量损耗参数逐步逼近无机半导体性能水平。其次，当前有机光伏材料的核心光电参数已趋近本征物理极限，仅依靠传统结构微调难以实现性能突破，亟需深度挖掘中心核“功能重构”策略，将三重态激子、热活化延迟荧光（TADF）、单重态裂变等新型光电转换机制引入有机光伏体系。例如，开发HOMO/LUMO前线轨道空间分离的平面型分子骨架，利用三重态激子循环利用路径有效降低器件能量损耗。最后，拓宽受体光谱响应范围是提升器件光捕获能力的关键手段，将非富勒烯受体吸收边延伸至近红外区间，可充分利用占太阳光谱总能量43%的红外与近红外低能光子，对叠层有机太阳能电池的效率提升效果尤为显著。基于团队前期建立的半经验理论模型，将受体吸收起始波长拓展至1050–1150 nm，可使优化后的两端式叠层有机太阳能电池理论光电转换效率最高可达28%。

总体而言，CH系列非富勒烯受体基二元有机太阳能电池实现了接近21%的优异光电转换效率，同时将器件能量损耗有效控制在0.5 eV以内。更为重要的是，该系列受体在分子本征结构设计与聚集形貌调控两个维度仍存在充足的优化空间，是未来构筑超高效率、高稳定性有机太阳能电池极具潜力的功能分子平台。

文献信息

High-PerformanceCH-SeriesNon-FullereneAcceptorsforOrganicPhotovoltaics

ZhaoyangYao、XiangjianWan、YongshengChen

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.6c00340