港理工李刚教授&港科大颜河教授、潘世豪教授团队最新AM：用于抑制有机太阳能电池中非辐射能量损失的聚集诱导发光分子

第一作者：张英泽

通讯作者：颜河*，潘世豪*，李刚*

单位：香港科技大学，香港理工大学

有机太阳能电池（OSCs）近年来得到了快速发展，目前光电转换效率已突破20%。然而，相比于钙钛矿与晶硅太阳能电池，其光伏性能仍面临巨大挑战。OSCs的发展主要受限于其较高的非辐射能量损失（ΔEnr），这严重制约了开路电压（VOC）的进一步提升和器件性能的突破。已有的高性能Y系列非富勒烯受体虽然具有优异的电荷传输能力，但其通常具有刚性且平面的分子骨架，从而普遍存在聚集导致猝灭（ACQ）现象。如何从分子设计层面增强固态发光效率、降低器件非辐射损失，成为限制OSCs效率突破的关键科学问题。

近日，香港理工大学李刚教授与香港科技大学颜河教授、潘世豪教授合作，在材料科学领域知名期刊《Advanced Materials》上发表题为”Aggregation-Induced Emission Molecular Design for Mitigating Non-Radiative Energy Loss in Organic Solar Cells”的研究论文。该工作创新性地提出一种“将聚集诱导发光（AIE）性质引入Y系列非富勒烯受体“的分子设计策略，成功开发出具有AIE特性的受体分子dTPE。研究显示，D18:dTPE二元器件具有1.07 V的高VOC与0.130 eV的超低ΔEnr。通过向高效的D18:L8BO-C4体系中引入dTPE分子，三元器件成功实现了高达0.93 V的VOC与20.51%的光电转换效率。该工作展示了AIE分子设计在抑制有机太阳能电池非辐射复合、突破Y系列受体性能瓶颈方面的重要意义。

该团队首次将具有典型AIE特性的四苯乙烯（TPE）单元引入Y系列受体端基，设计并合成了dTPE分子。对比高效受体L8BO-C4和结构类似的dSpiro，dTPE在薄膜中表现出明显的AIE行为，光致发光量子产率（PLQY）提升3倍以上，且能够形成有利于电荷分离的级联能级结构。此外，dTPE具有更高的热分解温度和玻璃化转变温度，表现出优异的热稳定性，为后续器件性能优化奠定了光物理基础。

基于D18:dTPE二元器件实现了高达1.07 V的开路电压。将dTPE作为第三组分受体引入高效的D18:L8BO-C4体系，三元器件在VOC由0.88 V提升至0.93 V的同时，PCE由19.37%显著提升至20.51%，证明了AIE受体在开发高性能有机太阳能电池器件中的巨大应用潜力。

对二元/三元器件系统能量损失分析显示，dTPE的AIE性质显著增强了薄膜的固态发光，D18:dTPE二元器件的电致发光外量子效率（EQEEL）高达5.68×10⁻³，使得相应的非辐射复合损失（ΔEnr）仅为0.130 eV，为目前报道最低。此外，dTPE的引入显著降低了二元器件的ΔEnr（0.219 eV→0.190 eV），使得器件的VOC显著提升，证明了AIE策略是降低有机太阳能电池能量损失的关键机制。

GIWAXS与分子动力学模拟结果显示，尽管dTPE自身的结晶性相比于L8BO-C4较弱，但作为客体掺入后，反而能促进D18/L8BO-C4界面形成更有序的π-π堆积，从而提高了电荷传输效率。这表明dTPE不仅能通过AIE效应抑制非辐射损失，还能优化活性层形貌，从而协同提升器件性能。

“Aggregation-Induced Emission Molecular Design for Mitigating Non-Radiative Energy Loss in Organic Solar Cells”

李刚教授：现任香港理工大学能源转换技术讲座教授暨钟士元爵士可再生能源教授、 智慧能源研究院(RISE)副院长、 粤港澳光热电能源材料与器件联合实验室主任（港方）。李刚教授主要研究方向为有机半导体、有机金属卤化物杂化钙钛矿型薄膜光电器件。在 Nature Materials、 Nature Photonics、 Science、 Nature Review Materials、 Chemical Reviews、 Advanced Materials、 Joule 等学术期刊上发表论文 200 余篇， 被引用超过 9 万次， h-因子 104， 单篇最高引用 7400 余次， 20 篇文章被单篇引用超过 1000 次。自 2014年被选 Web of Science (Thomson-Reuter/Clarivate Analytics)全球高被引科学家（材料学科、 物理学、 化学）。 2006 获得加州大学洛杉矶分校校长博士后研究奖。现为英国皇家化学会会士（FRSC） 、 国际光学学会会士（Optica Fellow, 原 OSA 美国光学学会） 、 国际光电工程学会会士（FSPIE） 、 香港研究资助局高级研究学者（SRF）。现担任 J. Photon. Energy 副主编、 J. Energy Chemistry 编委、 国际光电工程学会（SPIE）有机及杂化太阳能电池会议（OHPV）主席。承担国家、香港以及深圳市科研项目 20 余项。

颜河教授：于2000年本科毕业于北京大学化学系；2004年在美国西北大学获得博士学位，师从美国总统奖获得者Tobin Marks教授。2006-2011年带领polyera公司的研究小组研发柔性显示器和太阳能电池材料。2012年至今就职于香港科技大学化学系，并于2023年成为香港科技大学讲席教授。颜河教授在有机及钙钛矿太阳能电池领域做出了杰出的贡献，发表论文420余篇，被引用超58000次，H因子115，并于2020年获得了腾讯“科学探索奖”，同年担任香港的RGC研究员，并连续8年获得“高被引科学家”的称号，研究成果在2015年被美国国家可再生能源实验室收录进著名的“best research-cell efficiency chart”世界纪录表。颜河教授建立了以香港为中心的国际跨学科研究平台，同时还具有丰富的产业化经验，是中国新型光伏技术产业化的引领者，并于2018年创立了深圳易柔光伏有限公司，提出了有机光伏产业化新路线，并带领公司多次获得创业大赛奖项。2019年，公司荣获第十一届中国深圳创新创业大赛新能源及节能环保产业组决赛一等奖。同年，公司从全国7个区域比赛的1279个项目中脱颖而出，在香港科技大学与越秀集团联合举办的“百万创业大赛”中获得冠军。

潘世豪教授：香港科技大学研究助理教授，2019年于香港中文大学获理学博士学位。主要从事有机太阳能电池材料设计与器件研究。已发表SCI论文24篇，包括Chem, Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed. 等。

张英泽博士：香港科技大学博士后，2024年于中科院长春应用化学研究所获理学博士学位，师从刘俊研究员。主要从事有机太阳能电池、有机光电探测器的受体材料设计与器件研究。已发表SCI论文15篇，包括Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Opt. Mater.等。