通過多重共軛策略調控分子堆積，降低有機太陽能電池的能量損失

?有機太陽能電池（OSCs）具有成本低、顏色可調、柔性和重量輕等優點，被認為是一種非常有前途的光電轉換技術。近年來，有機太陽能電池在能量轉換效率方面獲得了非常大的進展，一個重要的原因是A-D-A型小分子受體的迅猛發展：其獨特的分子堆積，有利于形成高效的電荷傳輸通道；Y系列分子的中心核單元（苯并[c][1,2,5]噻二唑）在其獨特的三維（3D）網絡分子堆積中起著至關重要的作用，使得基于Y系列分子的有機太陽能電池在保持高效率的同時，其能量損失也大大降低。盡管Y系列受體分子的中心核在分子堆積中起著至關重要的作用，但由于中心雜環單元的進一步修飾和重新構建的難度較大，還沒有對Y系列中心雜環單元進行改造的相關研究。南開大學的陳永勝教授等提出了多重共軛擴展策略，設計并開發了一類新型的A-D-A型電子受體CH17（結構如圖1所示）：CH17以吩嗪作為中心核，并對末端單元進行了共軛延伸，同時實現了對中心核和末端單元的共軛擴展。通過對CH17和Y6的晶體結構、電荷傳輸性能和器件能量轉換效率進行系統性研究，發現多重共軛擴展的策略可以促進分子堆積，構建更加高效的三維電荷傳輸網絡，并降低器件能量損失，進而提升太陽能電池的能量轉換效率。以PM6作為給體時，基于CH17的二元有機太陽能電池的能量轉換效率（PCE）達到了17.84%，而在相同條件下，基于Y6的能量轉換效率僅為16.27%。進一步通過器件優化，基于CH17的三元有機太陽能電池的能量轉換效率可以提高到18.13%，而能量損失僅為0.49 eV。這個工作首次對Y系列受體分子的中心核進行了改造，使Y系列受體分子的結構改進不再局限于端基和烷基鏈，有望大大促進新型非富勒烯受體材料的開發和有機太陽能電池能量轉換效率的進一步提升。

Figure 1. Molecular structures and photophysical properties.

從單晶中的分子堆積上來看（如圖2所示），CH17和Y6都可以形成3D分子堆積網絡，但CH17的中心核單元更多地參與了3D堆積網絡。更重要的是，CH17形成了更獨特的堆積模式（Mode 5-“雙E/C”模式，如圖2d所示），這是Y6系列分子之前沒有觀察到的。在這種模式下，CH17的末端單元幾乎完全堆疊在另一個CH17分子的中心單元上（“雙E/C”模式），橋連噻吩也完全參與到這種堆積模式中。CH17中這種“雙E/C”模式的相鄰分子之間更強的堆積導致了其堆積距離小于Y6最有效的堆積模式（Mode 4）。更重要的是，“雙E/C”模式在連接CH17的相鄰晶胞中起著橋梁般的連接作用，通過π-π堆積使其分子沿c軸連續堆積，從而形成更有效的3D堆積網絡。進一步通過理論計算，證實了這種“雙E/C”模式（Mode 5）可以貢獻高達76.0 meV的電子轉移積分和110.7 meV的空穴轉移積分，遠高于Y6的電子轉移積分（40.3 meV）和空穴轉移積分（81.4 meV）。這種優勢的分子堆積模式在給受體混合薄膜中能夠得以有效保持，形成了有利電荷傳輸的束狀納米纖維形貌，實現了顯著提升且平衡的載流子傳輸，從而使其太陽能電池器件的能量轉換效率得以明顯提升。基于CH17體系較低的E_loss是由于其獨特的分子堆積增強了CT態和LE態之間的雜化，使得CT態具有更高的發光效率，使得非輻射復合損失（V_nr）得以減小。

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

Figure 3.?Photovoltaic performance of optimized PM6:CH17, PM6:CH17:F-2F, and PM6:Y6.

該成果以“Lowing the energy loss of organic solar cells by molecular packing engineering via multiple molecular conjugation extension”為題目發表于Sci. China Chem.?2022, 65, 1362-1373上，論文的第一作者是南開大學的博士研究生陳紅濱和鄒雅露，論文的通訊作者為陳永勝教授，姚朝陽和龍官奎研究員。

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