常州大学、香港理工大学，CEJ：卤化工程构建星形低聚非稠环受体实现有机太阳能电池接近19%的效率

第一作者：魏涵，夏浩

通讯作者：朱梦冰，朱卫国

单位：常州大学、香港理工大学

有机太阳能电池（OSCs）因其轻量、柔性、可溶液加工等独特优势，已成为新一代可再生能源技术的研究热点。近年来，基于稠环电子受体（FREAs）的OSCs，其能量转换效率（PCE）已突破20%，展现出巨大的产业化应用潜力。然而，高性能的FREAs仍面临合成步骤复杂、产率较低、纯化难度大等问题，导致制造成本高昂，限制了大规模商业化应用。

为突破这一瓶颈，研究者逐渐将目光转向结构简单、合成成本低的非稠环电子受体（NFREAs）。其中，多臂星形寡聚非稠环受体材料（oligomeric NFREAs）因其独特的分子设计，展现出显著优于线性材料的性能特性，不仅具有更高的吸光系数和电子迁移率，还可以实现能级的灵活调节、增强分子内π−π相互作用，并促进更均衡的各向同性电荷传输，为构建高效低成本OSCs提供了新思路。

在各类稠环受体材料的设计策略中，卤素取代（如氟化、氯化）策略已成为精细调控分子能级、优化薄膜形貌、增强分子间作用力的有效手段。但是，在星形寡聚非稠环受体材料中的系统研究鲜见文献报道。深入探索卤代作用对材料结晶行为、活性层形貌及器件性能的影响，对于开发新一代高性能多臂寡聚非稠环受体材料具有重要意义，也将为推动低成本、高性能OSCs的发展提供关键技术支撑。

近日，来自常州大学朱卫国教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Halogenation-engineered star-shaped oligomeric non-fused-ring acceptors enable approaching 19 % efficiency in organic solar cells”的研究论文。该研究采用卤代工程策略，成功设计并合成了三种星形非稠环寡聚物受体材料。系统研究表明，与氟化与未取代（氢化）策略相比，氯化策略在多个关键方面表现更为突出：不仅可以更有效地调控分子前沿轨道能级、增强J型聚集行为，还能通过C–Cl⋯π非共价相互作用显著优化活性层形貌。这些优势协同作用，推动了有机太阳能电池实现接近19%的光电转换效率，同时展现出氯化在低成本高性能受体材料开发中的重要潜力。

研究表明，三种星形非稠环受体分子（TDI-B、TDI-B-F与TDI-B-Cl）均展现出优异的分子平面性，这为其形成有序堆积奠定了结构基础。更为重要的是，通过理论计算发现，经氯取代的TDI-B-Cl表现出更为适宜的分子偶极矩，相较于氟取代（TDI-B-F）和未取代（TDI-B）分子，更有利于调控分子间相互作用，引导形成理想的堆积模式。为深入探究不同取代基对分子聚集行为的影响，我们进一步对500–800 nm范围内纯膜的吸收峰面积进行了积分分析。结果表明，TDI-B-Cl的J-聚集特征最为显著，其J/H值达到0.541，明显高于TDI-B和TDI-B-F。这一数据清晰地表明，氯取代策略有效促进了分子的有序堆积，从而为提升器件性能创造了有利条件。

本研究通过稳态光致发光（PL）光谱，系统分析了卤化策略对PM6:BTP-eC9体系主体与客体受体间荧光共振能量转移（FRET）过程的影响。测试对象包括PM6与BTP-eC9的纯膜，以及分别添加三种星形非稠环受体（NFRA）后的三元共混薄膜。实验结果表明，在三元体系中，引入NFRA后，PM6与BTP-eC9的荧光均发生进一步淬灭，表明三元体系中形成了多步骤的高效能量与电荷转移通道。这一协同机制不仅大幅度提升了激子解离效率，还有效优化了电荷传输平衡，从而为器件短路电流（JSC）和填充因子（FF）的提高提供了关键保障。

本研究采用二维掠入射广角X射线散射（2D-GIWAXS）技术，系统分析了三种星形非稠环受体（NFRA）在纯膜及共混膜中的分子取向与堆积行为。结果显示，所有薄膜均表现出良好的有序性，在面内（IP）和面外（OOP）方向，分别出现清晰的层状堆积衍射峰和强烈的π-π共轭堆叠信号。

特别值得注意的是，氯取代分子TDI-B-Cl展现了更优的分子排列有序性：其纯膜在IP和OOP方向的晶体相干长度（CCL）分别达到32.9 Å 和13.5 Å，远高于TDI-B（14.6/10.9 Å）和TDI-B-F（19.4/12.8 Å）。这一优势在共混膜中依然保持，基于TDI-B-Cl的三元共混膜同样表现出最大的CCL值。这一结果主要得益于其高度有序的分子堆积和更强的J聚集倾向，有助于形成高效电荷传输通道，降低体系能量无序性，从而为器件性能的提升奠定坚实基础。

Halogenation-engineered star-shaped oligomeric non-fused-ring acceptors enable approaching 19 % efficiency in organic solar cells

朱卫国教授简介：博士、二级教授、博士生导师，国务院特殊津贴专家，江苏省“双创计划”高层次人才，湖南省杰出青年基金获得者。1986年在湘潭大学获化学专业学士学位，2000年在四川大学获有机化学博士学位，2002年在华南理工大学开展博士后研究(导师：曹镛院士)，2006年在英国谢菲尔德大学访问交流。2016年作为领军人才引进到常州大学。长期从事有机高分子光电子功能材料与器件研究，在有机光伏&发光材料及其器件研究方面取得了丰硕的成果。以第一单位、通讯作者署名在Chemical Review、Nature Photonics、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Nature Communication等国际知名期刊上发表SCI论文150余篇。先后主持国家级课题8项，其中国家自然科学基金联合基金重点项目1项，获湖南省自然科学奖二等奖2项(排名第一)，授权中国发明专利20余件。