通过多重共轭策略调控分子堆积，降低有机太阳能电池的能量损失

有机太阳能电池（OSCs）具有成本低、颜色可调、柔性和重量轻等优点，被认为是一种非常有前途的光电转换技术。近年来，有机太阳能电池在能量转换效率方面获得了非常大的进展，一个重要的原因是A-D-A型小分子受体的迅猛发展：其独特的分子堆积，有利于形成高效的电荷传输通道；Y系列分子的中心核单元（苯并[c][1,2,5]噻二唑）在其独特的三维（3D）网络分子堆积中起着至关重要的作用，使得基于Y系列分子的有机太阳能电池在保持高效率的同时，其能量损失也大大降低。尽管Y系列受体分子的中心核在分子堆积中起着至关重要的作用，但由于中心杂环单元的进一步修饰和重新构建的难度较大，还没有对Y系列中心杂环单元进行改造的相关研究。南开大学的陈永胜教授等提出了多重共轭扩展策略，设计并开发了一类新型的A-D-A型电子受体CH17（结构如图1所示）：CH17以吩嗪作为中心核，并对末端单元进行了共轭延伸，同时实现了对中心核和末端单元的共轭扩展。通过对CH17和Y6的晶体结构、电荷传输性能和器件能量转换效率进行系统性研究，发现多重共轭扩展的策略可以促进分子堆积，构建更加高效的三维电荷传输网络，并降低器件能量损失，进而提升太阳能电池的能量转换效率。以PM6作为给体时，基于CH17的二元有机太阳能电池的能量转换效率（PCE）达到了17.84%，而在相同条件下，基于Y6的能量转换效率仅为16.27%。进一步通过器件优化，基于CH17的三元有机太阳能电池的能量转换效率可以提高到18.13%，而能量损失仅为0.49 eV。这个工作首次对Y系列受体分子的中心核进行了改造，使Y系列受体分子的结构改进不再局限于端基和烷基链，有望大大促进新型非富勒烯受体材料的开发和有机太阳能电池能量转换效率的进一步提升。

Figure 1. Molecular structures and photophysical properties.

从单晶中的分子堆积上来看（如图2所示），CH17和Y6都可以形成3D分子堆积网络，但CH17的中心核单元更多地参与了3D堆积网络。更重要的是，CH17形成了更独特的堆积模式（Mode 5-“双E/C”模式，如图2d所示），这是Y6系列分子之前没有观察到的。在这种模式下，CH17的末端单元几乎完全堆叠在另一个CH17分子的中心单元上（“双E/C”模式），桥连噻吩也完全参与到这种堆积模式中。CH17中这种“双E/C”模式的相邻分子之间更强的堆积导致了其堆积距离小于Y6最有效的堆积模式（Mode 4）。更重要的是，“双E/C”模式在连接CH17的相邻晶胞中起着桥梁般的连接作用，通过π-π堆积使其分子沿c轴连续堆积，从而形成更有效的3D堆积网络。进一步通过理论计算，证实了这种“双E/C”模式（Mode 5）可以贡献高达76.0 meV的电子转移积分和110.7 meV的空穴转移积分，远高于Y6的电子转移积分（40.3 meV）和空穴转移积分（81.4 meV）。这种优势的分子堆积模式在给受体混合薄膜中能够得以有效保持，形成了有利电荷传输的束状纳米纤维形貌，实现了显著提升且平衡的载流子传输，从而使其太阳能电池器件的能量转换效率得以明显提升。基于CH17体系较低的E_loss是由于其独特的分子堆积增强了CT态和LE态之间的杂化，使得CT态具有更高的发光效率，使得非辐射复合损失（V_nr）得以减小。

Figure 2. Single-crystal structures and intermolecular packing modes of CH17 and Y6.

Figure 3.Photovoltaic performance of optimizedPM6:CH17,PM6:CH17:F-2F, andPM6:Y6.

该成果以“Lowing the energy loss of organic solar cells by molecular packing engineering via multiple molecular conjugation extension”为题目发表于Sci. China Chem.2022,65, 1362-1373上，论文的第一作者是南开大学的博士研究生陈红滨和邹雅露，论文的通讯作者为陈永胜教授，姚朝阳和龙官奎研究员。

本文由作者供稿