北京
南昌大学陈义旺、江西师范大学朱佩佩团队针对有机太阳能电池非富勒烯受体普遍存在的激子结合能大、非辐射能量损失高等关键问题，开发了一种基于三氟甲硫基（SCF₃）的新型氟化改性策略。氟化修饰是调控非富勒烯受体分子静电势与分子堆积结构的主流手段，传统氟化及三氟甲基改性方法虽可优化材料光电性能，但难以同步实现低能量损耗与高效电荷分离，严重限制了有机太阳能电池器件效率的进一步突破。
该团队创新性地将SCF₃氟化基团引入A‑DA′D‑A型非富勒烯受体的喹喔啉母核，并结合烷基侧链工程，精准设计并制备出ZY‑SCF3‑EH、ZY‑SCF3‑BO、ZY‑SCF3‑HD三款新型受体材料。理论计算结果表明，SCF₃基团兼具适中的吸电子能力与优异亲脂性，可构建最优的分子静电势体系，既为激子解离提供充足驱动力，又可有效抑制非辐射复合损失。相较于传统氟化与三氟甲基改性体系，SCF₃改性能够显著降低激子结合能、减小空穴‑电子轨道重叠度、增大激子质心间距，同时降低给体‑受体激发态中电荷转移态的占比，有效提升辐射复合效率，从根本上抑制非辐射能量损耗。
与此同时，SCF₃的引入可诱导体系产生多重分子间非共价相互作用，构筑独特的三维蜂窝状分子堆积网络，显著提升受体分子结晶度与电荷传输效率。凭借SCF₃优异的亲脂特性，改性材料的溶解性与室温溶液加工性能大幅提升，有效改善了器件的工艺适配性与规模化制备潜力。基于最优受体材料ZY‑SCF3‑HD构筑的PM6:ZY‑SCF3‑HD二元有机太阳能电池，实现了19.4%的优异光电转换效率，同时兼具0.89V的高开路电压、81.2%的高填充因子以及0.23eV的极低非辐射能量损失，实现多项器件性能参数同步优化。通过三元共混策略进一步优化能级与相结构，器件光电转换效率可进一步提升至20.1%。
在大面积器件制备方面，依托SCF₃改性赋予材料的优异溶液加工性能，该团队成功制备了系列大面积光伏器件与模组：1.05cm²器件的光电转换效率可达17.5%，室温制备的20.25cm²大面积光伏模组效率高达16.4%，该性能处于现阶段已报道同类器件的顶尖水平。该研究系统证实，SCF₃是一种高效、通用的高性能氟化构筑单元，突破了传统氟化改性无法兼顾高效电荷分离与低能量损耗的技术瓶颈，阐明了适度分子静电势调控协同优化器件光电性能的内在机理，为开发高效率、高工艺兼容性、可规模化制备的新一代有机光伏材料与器件提供了全新的设计思路与技术范式。
文献信息
TrifluoromethylthioEngineeringEnablesaBalancedElectrostaticPotentialforOrganicSolarCellswithover20%EfficiencyandLowEnergyLoss
XunfanLiao、MingtaoLiu、ZhongyuanWu、JingxuanSun、HaojiaDing、AdiljanWupur、JinyangYu、YuangFu、ShuzhenLiao、DanLiu、MingZhang、PeipeiZhu、QianXie、WeifeiFu、XinhuiLu、HaimingZhu、YiwangChen
https://pubs.acs.org/jacsat/article-abstract/doi/10.1021/jacs.6c09915/5243577/Trifluoromethylthio-Engineering-Enables-a-Balanced?redirectedFrom=fulltext
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