北京
有机太阳能电池（OSCs）光电转换效率已突破20%，但薄膜分子有序度不足、激子结合能偏高等问题，始终制约器件性能的进一步提升。针对该技术瓶颈，南开大学陈永胜、万相见、龙官奎等人通过精准调控小分子受体（SMAs）骨架中的硫原子数量，设计并合成了CHSMe、CHSPh、CH₂SPh、CHDF四种新型受体材料，利用分子间强C–H···S与C=S···S非共价相互作用，成功构筑出特征双分子结构基元。
CHDF的单晶X射线衍射测试结果表明，其DTF结构单元中的硫原子可与相邻分子形成多重稳定的分子间非共价作用，既可与苯环构建双C–H···S氢键体系，又能与噻吩单元形成双C=S···S相互作用。多重作用力协同驱动相邻CHDF分子形成近共平面二聚体结构，这也是小分子受体单晶体系中首次发现该类双分子自组装行为，且该特性在不同侧链、端基修饰的衍生物体系中均得到有效验证。基于该独特的自组装特性，CHDF薄膜结晶性显著改善，π–π堆积作用大幅增强，激子结合能有效降至150meV。将其与PM6共混构筑二元有机太阳能电池，器件最优光电转换效率可达20.69%，跻身当前二元有机光伏器件的最高性能梯队。
该研究创新性提出基于硫原子调控的分子设计策略，将小分子受体的多重非共价相互作用由分子内拓展至分子间尺度。多硫杂环的引入可协同构建氢键与C=S···S分子间作用网络，诱导分子形成稳定二聚结构单元并构筑规整的三维堆积骨架，进一步提升薄膜结晶质量与π–π堆积强度。多重非共价协同作用可有效降低激子结合能、优化电荷传输特性、减少器件能量损耗。该工作证实，通过多重强非共价作用同步调控分子构象与分子间堆积方式，可有效构筑高度有序的薄膜宏观形貌，为高效、稳定有机太阳能电池的分子结构设计与性能优化提供了可靠的通用技术范式。
文献信息
TheDemonstrationofaMultiplyNoncovalentlyAssembledDimericAcceptorEnablingOrganicSolarCellsApproaching21%Efficiency
GuangkunSong、RuohanWang、WenkaiZhao、ZhaoyangYao、ChenxiLi、GuankuiLong、XiangjianWan、YongshengChen
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c06833
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