陳紅徵團隊Nat. Commun.: 多尺度揭示非富勒烯有機光伏材料的結構-效能關係

導語：研究人員設計併合成了四種型Y系列衍生物非富勒烯受體，其中兩個對稱型分子為BO-4Cl和BTP-S7，兩個不對稱型分子為BTP-S8和BTP-S9，並進一步系統地研究有機光伏材料的結構與效能之間關係。

1.前言

由於光活性層材料的創新，特別是非富勒烯受體（NFAs）的問世，有機光伏（OPVs）已進入迅速發展時期，光電轉換效率（PCE）目前已突破18%，NFAs的每一次發展都伴隨著對材料設計與形態或宏觀因素之間關係的更好理解。例如，ITIC透過將笨重的D單元與小而強的A單元結合起來，解決了合適的相分離和有效電荷傳輸之間的矛盾，而Y6則透過引入缺電子核，實現了多個電荷傳輸通道和更高的PCE。

為了推動OPVs朝著更高效能發展，是非常有必要在分子結構、形態特徵（如分子堆積和相分離）、宏觀因素（如載流子遷移率、電荷複合和激子行為）和器件效能之間建立結構-效能相關性。為此，應設計具有精細定製分子結構的NFAs來進行系統研究。與對稱型NFAs相比，具有兩個不同末端的不對稱電子受體，例如A1-D-A2型分子，透過結合或折衷來自兩個末端基團的不同優點，在實現更多功能方面具有更多的可能性。

圖1：分子結構、光學和電化學性質

2.簡介

基於以上的考慮，近日，浙江大學陳紅徵教授研究團隊設計併合成了四種型Y系列衍生物NFAs，其中兩個對稱型NFAs為BO-4Cl和BTP-S7，兩個不對稱型NFAs為BTP-S8和BTP-S9，並進一步系統地研究OPVs中的結構與效能之間關係。具體而言，這四種NFAs由於延伸共軛、不對稱末端和烷基鏈長度存在相互不同，最終導致分子性質差別。透過相關分析，研究人員發現在NFAs的末端擴充套件共軛程度可以對促進電荷分離和降低非輻射損耗，從而有利於開路電壓的提高。

圖2：光伏效能、電荷傳輸和複合

研究還表明，非對稱末端可以更好地平衡三個器件引數，實現高PCE。需要注意的是，烷基側鏈的長度會影響分子的堆積和電子遷移率。縮短烷基側鏈可以提高分子的堆積強度，減小π-π距離，從而提高電子遷移率，最終得到更高的填充因子（FF）。因此，基於所設計的烷基側鏈較短的不對稱受體BTP-S9的OPVs器件在最大程度上得益於分子結構和宏觀因素，獲得了17。56%的最佳PCE和78。44%的高FF。

圖3： 相關性分析

3.總結

綜上，這項工作為透過分子設計最佳化特定因素提供了指導，從而為開發更好的光活性材料以獲得更高效能的器件鋪平了道路。相關研究成果現已發表在國際頂級材料期刊《Nature Communications》上，題為“Unveiling structure-performance relationships from multi-scales in non-fullerene organic photovoltaics”。

本文關鍵詞：有機光伏，非富勒烯受體，分子最佳化，電子遷移，BO-4Cl，BTP-S7，BTP-S8，BTP-S9。

4.材料

PM6：1802013-83-7

Y6：2304444-49-1