研究重点
北京航空航天大学孙艳明教授与香港科技大学颜河教授团队合作，发表于《自然材料》(Nature Materials) 期刊的研究。研究团队成功地开发出一种新型的非富勒烯受体 (NFA) 材料 L8-BO-C4，该材料在保持高结晶性的同时，也展现出高光致发光量子产率 (PLQY)。此项研究突破了传统NFA材料中，结晶度与PLQY难以兼顾的瓶颈。研究团队利用不对称烷基链分支位置调控策略，优化了分子间的 π-π 堆积，提升了材料的电荷传输能力，并降低了非辐射复合损失。
主要成就
●不对称烷基链分支位置调控策略：这项研究的核心在于透过不对称地调整烷基链分支位置，精准调控NFA的结晶度和 PLQY。
●单结有机太阳能电池 (OSC) 效率突破 20%：基于 PM6:L8-BO-C4 二元体系的 OSC 器件实现了 19.78% 的光电转换效率 (PCE)。进一步优化为 PM6:L8-BO-C4:L8-BO-C4-Br 三元体系后，认证效率达到 20.1%，实验室数值为 20.42%。
●高结晶性与高PLQY的兼顾：通过调控 L8-BO 受体上烷基链的分支位置，实现了材料的高结晶性与高PLQY的兼容性。
●降低非辐射复合损失：高PLQY有助于降低非辐射复合损失，提升器件开路电压 (Voc)。
●优异的器件稳定性：优化后的器件在光照稳定性方面表现优异，T80 寿命超过 600小时。
●可推广性：该策略可应用于其他 A-DA'D-A 型受体分子的优化，具有普遍适用性。
●具备大规模工业化应用潜力：该研究展示了在厚膜、大面积和模块器件中仍然可以实现高效率。
研究团队
本研究的通讯作者为Jiali Song及孙艳明(Yanming Sun)教授（北京航空航天大学）、颜河(He Yan)教授（香港科技大学）。
研究背景
有机太阳能电池 (OSC)具有轻薄、可挠曲、可大面积制备等优点，在物联网、光伏建筑一体化、便携式能源等领域具有重要应用前景。近年来，OSC 的效率不断提升，但如何进一步提高效率并降低能量损失仍然是一个挑战。
•非富勒烯受体 (NFA) 的优势：相较于传统富勒烯受体，NFA 具有更高的光电转换效率和较低的能量损失。提高NFA的结晶度和光致发光量子产率 (PLQY) 对提升 OSC 的效率至关重要。
•结晶度与PLQY的矛盾：提高结晶度会导致激子淬灭，从而降低 PLQY，增加非辐射能量损失。如何平衡结晶度与 PLQY，避免能量损失，是 OSC 领域的关键难题。
●高结晶度：有助于促进高效载流子传输，提升短路电流密度 (Jsc) 和填充因子 (FF).
●高 PLQY：有助于降低非辐射复合损失，提高开路电压 (Voc).
•既有研究的局限性：过去的研究难以同时兼顾NFA的高结晶性和高 PLQY。
解决方案：
•不对称烷基链设计策略：研究团队的核心创新在于透过不对称地调整非富勒烯受体 L8-BO 分子中噻吩单元上的烷基链分支位置，来精准调控材料的结晶度和光致发光量子产率 (PLQY)。
●L8-BO 分子结构：L8-BO 是一种常用的非富勒烯受体材料，具有良好的电荷传输能力。
●不对称改性：研究团队并非采用对称地在 L8-BO 的两侧引入相同的烷基链，而是选择在一侧引入 2-丁基辛基 (2-butyloctyl)，另一侧引入 4-丁基癸基 (4-butyldecyl)。
●分支位置的重要性：研究发现，烷基链的分支位置对分子的堆积和材料的性能有着至关重要的影响。
•调控结晶度与PLQY的机制：
●引入 2-丁基辛基：可以改善分子的堆积，促进 π-π 堆栈，增加结晶度，提高电荷传输能力。
●引入 4-丁基癸基：在一定程度上降低分子间的相互作用，减少激子淬灭，提高 PLQY。
●动态平衡：透过调整不同烷基链的组合，可以达到结晶度和PLQY之间的动态平衡，避免顾此失彼。
•L8-BO-Cn+1 系列材料：研究团队合成了一系列 L8-BO-Cn+1 材料，其中 "n+1" 代表分支位置与核心的距离。这些材料的分支位置从一到五位不等。
●L8-BO-C4：研究发现 L8-BO-C4 这种材料，也就是在噻吩单元的一侧具有 2-丁基辛基，另一侧具有 4-丁基癸基的结构，可以同时达到高结晶度和高 PLQY。
●对比材料：研究团队也合成了对称的 L8-BO-C4C4 作为对照组，发现对称的 L8-BO-C4C4 材料其PLQY反而降低。
•理论计算辅助设计：使用密度泛函理论 (DFT) 计算和分子动力学 (MD) 模拟，来研究分支位置对分子堆积和微观形态的影响，从而辅助材料的设计。
实验过程与步骤：
•材料合成：
●L8-BO-Cn+1 系列NFA合成：L8-BO-Cn+1 系列材料的合成方法与 L8-BO 相似，主要区别在于支链的合成，其中烷基链的分支位置从一到五位不等。
●3-烷基噻吩[3,2-b]噻吩的合成：这是合成 L8-BO-Cn+1 的关键中间体，其分支位置可以从一到第三、第四和第五位。详细的合成步骤在补充材料中有描述。
•器件制备：
●二元器件：将 PM6 作为高分子给体，与不同的 L8-BO-Cn+1 作为受体，制备二元有机太阳能电池。
●三元器件：将 L8-BO-C4-Br 作为第三组分，添加到 PM6:L8-BO-C4 的二元器件中，制备三元有机太阳能电池。
•分子动力学模拟：研究不同分支位置对分子堆积和微观形貌的影响。计算分子间的堆积距离、导电网络的大小和径向分布函数。
表征与分析结果
•器件性能分析(Device Performance Analysis)
●J-V曲线量测：
研究团队使用Enlitech SS-F5-3A作为太阳光的光源，测量J-V曲线。如图 1d 中所示的 J-V 曲线，以及产生图S6 中的认证数据。
推荐使用Enlitech SS-X AM1.5G标准光谱太阳光模拟器，适合于表征各种新型太阳能电池
●最大功率点追踪模式 (MPP): 在持续 LED照明下，使用最大功率点追踪 (MPP) 模式监测器件的性能衰减。(图S12)
•光谱分析 (Spectroscopy)
●外部量子效率 (EQE)：
研究团队使用Enlitech QE-R量子效率测量系统，测量器件在不同波长光照射下产生的电流。评估器件的光电转换效率。(图 1f、图S46)
推荐使用Enlitech QE-R 太阳能电池量子效率光学仪，高精度QE/IPCE测试系统
●紫外-可见光吸收光谱 (UV-Vis)：测量材料对不同波长光的吸收程度。确定材料的吸收峰值、光学带隙等。(图 1b与表S 1)。
●光致发光光谱 (PL)：使用雷射光源激发材料，测量其发出的光。分析材料的发光特性、量子产率 (PLQY) 和能量损失。(图 1i、图S16、图S26 和 27)
推荐使用Enlitech LQ-100X-PL 光致发光与发光量子光学检测仪，紧凑型光致发光量子产率检测系统
●电致发光光谱 (EL)：将电流注入组件，并测量组件发光，并评估非辐射复合损失。(图S14)
●电致发光外部量子效率 (EQEEL)：测量器件发出的光子数与注入的载子数之比。用于探测非辐射复合途径，并计算非辐射复合损失 (ΔE3)。(图 1h 、图S17、表S7 和 18)
•电化学分析 (Electrochemistry)
●循环伏安法 (Cyclic Voltammetry, CV)：测量材料在电化学反应中的氧化还原电位。确定材料的最高占据分子轨域 (HOMO) 和未占据分子轨域 (LUMO) 能级。(图S3 和表S1)
•结构与形貌分析 (Structure and Morphology)
●掠入射广角 X 射线散射 (GIWAXS)：使用 X 射线照射薄膜，分析其散射图案。确定材料的结晶性、分子堆积和 π-π 堆积距离。(图 3c 和 3d、图 3e、图 3f、表S8 和 13)
●原子力显微镜 (AFM)：分析薄膜的表面形貌和粗糙度。(图S37)
●光诱导力显微镜 (Photo-induced force microscopy, PiFM):研究薄膜中给体和受体的形貌分布。(图 4a-c、图S38)
●单晶分析 (Single-crystal analysis):使用 X 射线绕射分析晶体结构。(表S12)
•电荷传输分析 (Charge Transport)
●空间电荷限制电流 (Space-charge-limited current, SCLC):计算材料的电荷迁移率 (电子迁移率 μe 和电洞迁移率 μh)。(图S36、表S6、图S10)
•其他分析
●分子动力学模拟 (Molecular dynamics simulations)：研究分子堆积、微观形貌和分子间相互作用。(图2)
●密度泛函理论计算 (DFT)：研究分子轨域、电子密度分布和激子耦合。(图 2)
●温度相关光致发光光谱 (Temperature-dependent PL spectra):在不同温度下测量材料的PL光谱。分析材料的静态和动态能量紊乱。(图S24 和 25、表S10)
结论
透过精确调控非富勒烯受体 (NFA) 的分子结构，来同时提升有机太阳能电池的效率和稳定性。研究团队的核心创新点在于开发了一种不对称烷基链分支位置调控策略，这种策略能够有效地在 L8-BO 受体分子中，实现高结晶性和高光致发光量子产率 (PLQY) 的兼顾。
主要成果和结论：
•不对称烷基链设计的优势: 传统上，提高 NFA 的结晶性往往会降低其 PLQY，导致非辐射复合损失增加，从而限制有机太阳能电池的效率.。为了解决这个问题，研究团队并未采用对称地在 L8-BO 的两侧引入相同的烷基链，而是在一侧引入 2-丁基辛基 (2-butyloctyl)，另一侧引入 4-丁基癸基 (4-butyldecyl)1...。种不对称的设计能够：
●提高结晶度: 2-丁基辛基可以改善分子的堆积，促进 π-π 堆栈，增加结晶度，并提高电荷传输能力。
●提升 PLQY: 4-丁基癸基可以在一定程度上降低分子间的相互作用，减少激子淬灭，并提高 PLQY。
●实现动态平衡: 透过调整不同烷基链的组合，可以达到结晶度和 PLQY 之间的动态平衡，避免顾此失彼。
•高效能有机太阳能电池: 基于 L8-BO-C4 的单结有机太阳能电池 (OSC) 实现了 20.42% 的高光电转换效率 (PCE)，并且经过中国国家计量科学研究院的认证后，PCE 值为 20.1%。此外，该电池还实现了 0.894 V 的开路电压 (Voc) 和 81.6% 的填充因子 (FF)。研究中也提及，PM6:L8-BO-C4:L8-BO-C4-Br 的三元器件展现了 20.42% 的功率转换效率。
•L8-BO-C4 的优异性能: 在一系列合成的 L8-BO-Cn+1 材料中，L8-BO-C4 (一侧为 2-丁基辛基，另一侧为 4-丁基癸基) 表现最为突出，能够同时达到高结晶度和高 PLQY。对比之下，对称结构的 L8-BO-C4C4 材料的 PLQY 反而降低。
•理论计算的验证: 研究团队使用密度泛函理论 (DFT) 计算和分子动力学 (MD) 模拟。这些计算结果与实验数据相互验证，进一步证实了不对称烷基链调控策略的有效性。
•良好的光稳定性: 使用最大功率点追踪 (MPP tracking) 模式测量装置的光稳定性，结果显示 L8-BO-C4 和 PM6:L8-BO-C4:L8-BO-C4-Br 这两种材料在连续 LED 光照下都具有良好的稳定性。
•广泛的应用潜力: 研究团队认为，这种不对称调控策略可以推广至其他 A–DA′D–A 型非富勒烯受体，为未来 NFA 的分子工程设计提供了新的指导原则。
这篇论文的主要研究成果是提出了一种透过不对称烷基链分支位置调控来设计高性能 NFA 的新方法。 这种方法不仅提高了载流子传输能力和电荷提取效率，同时也有效抑制了陷阱辅助复合，最终成功开发出效率超过 20% 的有机太阳能电池，并具有良好的稳定性。
文献参考自nature materials_DOI: 10.1038/s41563-024-02087-5
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