西安近代化学所高潮&深圳技术大学王宇飞AFM：喹喔啉受体的侧链和中心核氟化协同调控构筑高效有机太阳电池

第一作者：赵宝锋，梁泽洲，武海梅

通讯作者：王宇飞*，高潮*

单位：西安近代化学研究所，西安石油大学，深圳技术大学，江汉大学等

有机太阳电池（OSCs）凭借溶液可加工性、轻质、半透明以及易于制备柔性大面积器件等固有优势，在光伏领域备受关注。作为OSCs的核心组成部分，本体异质结（BHJ）活性层材料的性能，尤其是非富勒烯受体（NFAs）的结构与性能，对光吸收、激子产生与扩散、激子解离及电荷输运等关键光电转换过程具有决定性影响。而分子结构修饰是精准调控NFAs电化学能级、光吸收特性、分子聚集堆叠行为、电荷传输能力，进而优化光伏器件综合性能的核心手段。对典型NFAs材料Y6的单晶结构分析表明，其苯并噻二唑（BT）核心单元可参与分子间堆叠，构筑致密且有序的三维纳米网络结构，该结构不仅能有效促进电荷传输，还可显著抑制电荷复合过程。然而，BT单元的可修饰位点相对有限，这一结构特性极大限制了通过核心单元修饰进一步突破Y系列NFAs光伏性能瓶颈的潜力。相比之下，缺电子喹喔啉（Qx）单元具备两个额外的可修饰位点，为新型NFAs的分子设计、结构创新及性能优化提供了更广阔的空间。尽管目前基于Qx骨架的NFAs及其组装的光伏器件已展现出优异的性能潜力，但氟代烷氧基苯基取代基在高效Qx基受体材料构筑及器件性能提升中的作用机制，仍亟待系统且深入的研究加以阐明。

近日，西安近代化学研究所高潮团队与深圳技术大学王宇飞团队合作，在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上发表观点文章（标题：Synergistic Dual Modulation of Quinoxaline Acceptors via Core-Fluorination and Side-Chain Engineering for High-Efficiency Organic Solar Cells），为上述Qx基NFAs的研究难题提供了重要解决方案。该工作设计并合成一系列喹喔啉类NFA分子，通过系统调控其核心氟化程度与烷基侧链长度，重点阐明分子结构-性能的构效关系，明确分子构型如何调控介电特性、引导分子堆积，并最终决定器件光伏性能。

该研究的核心在于揭示了喹喔啉受体分子的核心氟化（增加氟原子数量）和侧链工程（延长烷基链长度）这两种分子设计策略并非孤立作用，而是协同影响材料的物理性质。具体而言，这两种修饰方式共同提升了NFAs的介电常数和光致发光量子效率（PLQY），同时降低了分子堆积过程中的自由体积，为材料性能优化奠定了基础。

提升的介电常数能够有效屏蔽电子-空穴对（激子）之间的库仑引力，进而促进激子在给/受体界面的高效解离，并减少因电荷复合导致的非辐射能量损失（ΔEnr）。与此同时，自由体积的降低限制了分子的热振动，进一步抑制激子-振动耦合，减少非辐射衰减通道。这两方面作用协同发力，显著降低了器件的电压损失（Voltage Loss）。

研究发现，将侧链从2-乙基己基替换为更长的2-丁基辛基，可驱动分子堆积取向从“face-on”和“edge-on”共存转变为纯“face-on”取向。这种face-on堆积取向有利于电荷垂直于器件平面传输，结合高氟化带来的紧密分子堆积与高结晶性，最终实现超快空穴转移与高效电荷传输，进而获得高短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）。

基于PM6:BTP-eC9二元体系的有机太阳电池的光电转换效率（PCE）可达17.63%，对应的开路电压（VOC）、短路电流密度和填充因子（FF）分别为0.848 V、27.81 mA·cm⁻²和74.74%。而引入10%质量比的C12BQ-o8F可有效提升器件的光伏性能，所制备的三元OSCs器件PCE提升至18.74%，且VOC 、JSC与FF三项核心参数同步优化，分别提升至0.869 V、28.13 mA·cm⁻²和76.66%。进一步采用单分子自组装层2PACz对器件界面进行修饰后，PM6:BTP-eC9:C12BQ-o8F三元器件的光伏性能得到显著改善，其PCE进一步提升至19.52%，此时器件的VOC 、JSC与FF分别达到0.878 V、28.34 mA·cm⁻²和78.49%。

本研究明确揭示了分子核心氟化修饰（在分子核心位点引入氟原子）与侧链结构工程（对分子侧链进行精准调控）之间存在显著的协同作用机制。该协同效应可有效调制非富勒烯受体材料的介电特性，进而实现对有机光伏器件能量损失的精准调控。本研究获得的实验数据与结论，深化了科研人员对有机光伏受体材料介电常数调控机制的认知，所提出的分子设计策略，为后续开发兼具高效率与低能量损耗特性的高性能有机太阳电池材料及器件提供了重要的理论依据与实践参考。

Synergistic Dual Modulation of Quinoxaline Acceptors via Core-Fluorination and Side-Chain Engineering for High-Efficiency Organic Solar Cells

高潮研究员简介：西安近代化学研究所研究员，博士生导师，西安市液晶与有机光电转换材料重点实验室主任，陕西三秦英才创全国一流团队带头人。1996年本科毕业于西安交通大学高分子材料专业，2005年毕业于西安交通大学电子科学与技术专业获得博士学位，随后在西安近代化学研究所光电材料研究部从事研究工作。长期从事有机光电子材料与器件的研究和开发。以通讯作者身份在Nature Photonics, Energy Environmental Science, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters等学术刊物上发表多篇研究论文。申请发明专利40余件，授权30余件。

王宇飞助理教授简介： 2023年7月，博士毕业于暨南大学。2023年9月，加入深圳技术大学，现担任助理教授，入选深圳市“鹏程孔雀计划”特聘岗位C档，主要从事有机光伏材料应用、器件工程与器件物理方向的研究，开发了第一个酸致变色有机光伏集成器件，成功将效率超过18%的有机太阳电池应用于可见光通信领域，并实现了破纪录的带宽数据。近年来，累计发表SCI论文58篇，以第一作者或通讯作者发表19篇SCI论文，包括Adv. Mater（3篇）.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.、Nano Letter、Nano-micro Lett.、Chem. Eng. J.、Susmat等国际著名期刊。撰写英文专著章节一章，主持国家自然科学基金青年基金（C类）一项，深圳市基础研究面上项目一项，广东省应用基础研究面上项目一项，授权发明专利4件。

赵宝锋研究员：2014 年毕业于华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室，获工学博士学位。毕业后入职西安近代化学研究所，历任助理研究员、副研究员和研究员，期间入选第六届中国科学技术协会青年人才托举工程。2025 年 9 月，赵宝锋博士加入西安石油大学材料科学与工程学院，现任新能源材料与器件系研究员。长期以来，赵宝锋博士专注于有机光电材料与器件的研发工作。迄今已在国内外SCI学术期刊发表论文 70 余篇，其中以第一 / 共同第一或通讯作者身份，在Advanced Functional Materials、ACS Energy Letters、Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A/C、Small、ACS Sustainable Chemistry & Engineering等国际知名期刊发表高水平论文 30 篇，曾获省部级技术发明二等奖 1 项，授权中国发明专利 4 件。