武汉理工大学王涛教授团队：构建不对称电子受体紧凑的三维电荷传输网络提升有机太阳能电池效率

非富勒烯电子受体（NFAs）的给电子核、烷基侧链以及吸电子端基单元的不对称设计可以有效调整NFA的光电特性和分子聚集特征，全面了解非对称NFA的电荷传输网络的形成，特别是其与NFA化学结构之间的构效关系迫在眉睫。武汉理工大学王涛教授团队通过调控Y系列受体的侧链和端基设计合成了5种具有不同平面性和偶极矩的不对称NFAs，构建了受体分子紧凑的电荷传输网络，显著提升了器件效率，为高性能OSCs的不对称NFA分子设计提供了新思路。

近年来，有机太阳能电池的光伏转换效率（PCE）快速增长，单结有机太阳能电池的PCE达到19.6%，串联有机太阳能电池的PCE也已超过20%。这一突破主要得益于新型NFAs材料的出现及其分子聚集体的优化。与传统“球型”富勒烯受体不同，ITIC、Y6等前沿NFAs均具有对称的构型，即两侧相同的电子受体单元（A）共轭桥接于带有侧链的电子供体核单元（D）上。这种独特的结构不仅使NFAs具有可调的能级和出众的光捕获能力，而且还可以通过两个NFA分子之间的π-π堆叠，促进A-to-A或A-to-D型分子堆积的形成，从而实现高效的电荷传输和优越的光伏性能。但较小的偶极矩以及分子间作用力不利于受体分子在三维方向的有效堆叠，最终限制器件效率的进一步提升。利用分子的非对称设计策略可以有效提高分子内电荷转移效应，使不对称NFAs表现出更大的偶极矩及更强的分子间作用力，进而实现更为有序的分子堆积，促进受体分子三维电荷传输网络的形成，提高OSCs的电荷输运，实现高效率器件的制备。

最近，武汉理工大学王涛教授等人对Y系列电子受体进行不对称裁剪，合成了一系列新型不对称NFAs，并通过模拟计算归纳出非对称NFA的三维电荷传输网络形成与其化学结构之间的构效关系，显著提高了器件效率，在Science China Chemistry上发表了题为“Realizing compact three-dimensional charge transport networks of asymmetric electron acceptors for efficient organic solar cells”的文章。

该工作通过对Y系列电子受体烷基链及吸电子端基的调整，设计并合成了5种具有不同平面性和偶极矩的不对称NFAs。研究发现，无论是改变不对称C9BTP-BO-ThCl-2F分子的端基，例如将ThClIC变为ClIC和2ClIC，或将烷基链长度从C9缩短为C7和C5，均可以有效增强NFA的平面性，从而减小π-π堆积距离。与C9BTP-BO-ThCl-2F和C9BTP-BO-Cl-2F相比，具有2ClIC和2FIC端基的不对称NFAs，相应的偶极矩明显增加，这也进一步证实了偶极矩对受体分子三维蜂窝网络形成的决定性作用。结果表明，通过调节平面性和偶极矩，受体C7BTP-BO-2Cl-2F表现出最为紧凑的三维电荷传输网络，与其他NFAs相比，具有最短的π-π堆积距离和最高的分子堆积密度，提升了电荷传输能力，同时有效减少了复合，最终使二元OSC器件的PCE高于18%。

图1. 通过分子动力学模拟得到C9BTP-BO-ThCl-2F、C9BTP-BO-Cl-2F、C7BTP-BO-2Cl-2F和C5BTP-BO-2Cl-2F的分子构型和堆积特性，包括（a）NFAs的偶极矩，（b）NFA的π-π堆积形式及距离，（c）多个NFA分子的三维堆积

论文第一作者为武汉理工大学材料学院博士研究生蔡金龙，通讯作者为武汉理工大学材料学院王涛教授。详见：Jinlong Cai, Yiwei Fu, Chuanhang Guo, Donghui Li, Liang Wang, Chen Chen, Dan Liu, Wei Li, Tao Wang*. Realizing compact three-dimensional charge transport networks of asymmetric electron acceptors for efficient organic solar cells. Sci. China Chem., 2023, doi: 10.1007/s11426-022-1429-x

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【通讯作者简介】

王涛，武汉理工大学教授，博士生导师。2009年获英国University of Surrey物理学博士学位，之后在英国University of Sheffield从事博士后研究。2013年加入武汉理工大学，主要从事太阳能电池材料与器件领域的研究，先后获得英国高分子物理学会Ian Macmillan Ward奖、湖北青年五四奖章、英国萨里大学“青年成就奖”等荣誉称号。

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