北理工團(tuán)隊(duì)在有機(jī)太陽(yáng)能電池非對(duì)稱(chēng)受體材料構(gòu)筑方面取得新進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-06-25 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授團(tuán)隊(duì)在新型非對(duì)稱(chēng)硒取代小分子受體材料構(gòu)筑及其在高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池器件化應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以 “Multiple-Asymmetric Molecular Engineering Enables Regioregular Selenium-Substituted Acceptor with High Efficiency and Ultra-low Energy Loss in Binary Organic Solar Cells”為題，作為熱點(diǎn)論文發(fā)表在國(guó)際化學(xué)頂級(jí)期刊《Angewandte Chemie International Edition》(Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202506795)上。北京理工大學(xué)為第一通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授和武漢大學(xué)閔杰教授為共同通訊作者，化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生楊燦和武漢大學(xué)博士研究生高遠(yuǎn)為該論文的共同第一作者。
在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，作為新一代光伏技術(shù)的代表之一，有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）因其具有良好的溶液加工性、輕、薄、柔、半透明等特性而受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并在便攜可穿戴電子、光伏建筑一體化等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的商業(yè)應(yīng)用潛力。但與晶硅和鈣鈦礦等無(wú)機(jī)材料的太陽(yáng)能電池相比，有機(jī)太陽(yáng)能電池仍然面臨因其有機(jī)活性層材料具有激子結(jié)合能大和載流子遷移率低的固有特性，導(dǎo)致相對(duì)較低的開(kāi)路電壓（ V OC）和較大的能量損失（ E loss），尤其是嚴(yán)重的非輻射復(fù)合能量損失（Δ E 3），進(jìn)而導(dǎo)致相對(duì)低的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）。因此，通過(guò)采用創(chuàng)新的分子工程來(lái)精準(zhǔn)調(diào)控小分子受體（SMA）的分子間晶體堆積，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)具有較高效率和較低能損的高性能二元OSC是目前該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。
圖1. 四個(gè)非對(duì)稱(chēng)硒取代受體材料的分子設(shè)計(jì)策略、分子結(jié)構(gòu)及其光電性質(zhì)和能級(jí)分布
針對(duì)上述的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才王金亮教授團(tuán)隊(duì)在前期非對(duì)稱(chēng)取代的有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池受體材料的創(chuàng)制及其在高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用研究工作( Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 , 19241, ESI高被引論文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62 , e202216340，ESI高被引論文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62 , e202313016; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61 , e202209454; Energy Environ. Sci ., 2022, 15 , 320，ESI高被引論文等)的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)更高光電轉(zhuǎn)化效率和兼具較低能損的非對(duì)稱(chēng)小分子受體材料體系，最近采用一種“核心-側(cè)鏈-端基”多重非對(duì)稱(chēng)的分子工程，通過(guò)調(diào)控端基外圍氟原子和氯原子取代數(shù)量和位置，設(shè)計(jì)合成了兩個(gè)雙重非對(duì)稱(chēng)的小分子受體（DASe-4F和 DASe-4Cl）和一對(duì)三重非對(duì)稱(chēng)的異構(gòu)化小分子受體（TASe-2Cl2F和TASe-2F2Cl），其具有相同的雙重非對(duì)稱(chēng)的硒取代中心核，但具有四種不同氟/氯原子取代數(shù)量和取代位置的端基（四氟、四氯、雙氯雙氟、雙氟雙氯）（圖1）。系統(tǒng)地探討了四種區(qū)域規(guī)整的多重非對(duì)稱(chēng)小分子受體的光電行為、分子間堆積的單晶結(jié)構(gòu)、與聚合物給體PM1的共混形態(tài)以及對(duì)相應(yīng)OSCs的光伏性能和能量損失的影響。
圖2. A- O SeF, DASe-4Cl, TASe-2F2Cl的晶體堆積模式及其對(duì)應(yīng)的3D網(wǎng)狀堆積結(jié)構(gòu)
單晶堆積模型（圖2）分析表明：相比于單一非對(duì)稱(chēng)的硒取代核心的A- O SeF，“核心硒取代-側(cè)鏈”雙重非對(duì)稱(chēng)的核心骨架導(dǎo)致了受體分子3D堆積模式的改變；具有二氟/二氯雜化端基的三重非對(duì)稱(chēng)受體TASe-2F2Cl呈現(xiàn)出較大的分子間電子耦合相互作用以及更加緊密有序的3D網(wǎng)狀堆積，進(jìn)一步促進(jìn)了電荷傳輸性能的提升。從DASe-4F到TASe-2Cl2F、TASe-2F2Cl和DASe-4Cl，純相薄膜中的帶隙變窄，LUMO能級(jí)略有降低，分子偶極矩逐漸增大（圖1）。將其分別與聚合物給體PM1共混后，基于PM1:TASe-2F2Cl的共混膜呈現(xiàn)出更明顯的“face-on”分子取向、更緊密的分子間堆積和增強(qiáng)的結(jié)晶性以及更合適的相分離形貌。結(jié)果，基于PM1:TASe-2F2Cl的二元器件效率高達(dá)19.32%，明顯高于基于PM1:DASe-4F (18.27%)，PM1:DASe-4Cl (17.25%)，PM1:TASe-2Cl2F (16.30%)的器件結(jié)果（圖3）?；赑M1:TASe-2F2Cl的二元器件取得優(yōu)異的性能主要?dú)w因于其有效的激子解離和電荷收集、更平衡的電荷傳輸、利好的相分離形貌以及超低的 E loss（0.514 eV）和Δ E 3（0.179 eV）。令人印象深刻的是，19.32%的PCE以及0.514 eV的 E loss和0.179 eV的Δ E 3這樣一個(gè)結(jié)果是基于硒取代核心的非對(duì)稱(chēng)小分子受體在二元本體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽(yáng)能電池器件中的最高值。此外，TASe-2F2Cl與其他流行的聚合物給體（如D18和PM6）匹配后表現(xiàn)出良好的普適性，在相應(yīng)的二元器件中呈現(xiàn)出了不錯(cuò)的PCE值和超低的能損。
綜上所述，這項(xiàng)系統(tǒng)性的工作為結(jié)合雙重非對(duì)稱(chēng)的硒取代中心核（DAD核心）以及氟/氯代端基雜化數(shù)量和位置的調(diào)制提供了寶貴的見(jiàn)解，并強(qiáng)調(diào)了“端基-核心-側(cè)鏈”三重非對(duì)稱(chēng)的分子設(shè)計(jì)策略是調(diào)節(jié)分子堆積行為和混溶性、改善器件性能參數(shù)之間的權(quán)衡、實(shí)現(xiàn)效率突破以及同步打破硒基受體的二元OSC中能損極限的頗具前景的有效途徑之一。
圖3. 四種非對(duì)稱(chēng)硒取代受體材料的有機(jī)太陽(yáng)能電池器件性能對(duì)比
上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家級(jí)青年人才項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金本科生“啟研”計(jì)劃、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者計(jì)劃、北京理工大學(xué)研究生科研水平和創(chuàng)新能力提升專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、特立學(xué)生科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目以及北京市光電轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心的支持。北京大學(xué)姚澤凡副研究員、韓國(guó)高麗大學(xué)Han Young Woo教授、化學(xué)與化工學(xué)院安橋石特別研究員和王楠副教授、中科院化學(xué)所朱曉張研究員團(tuán)隊(duì)給予了大力支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202506795
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