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中科院重庆研究院段泰男、黄佩豪、肖泽云等AFM:合理改变氟代位点提升光伏器件性能

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2025-07-18

导读：中科院重庆研究院段泰男、黄佩豪、肖泽云等AFM:合理改变氟代位点提升光伏器件性能

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文章信息

氟化位点的合理调控实现能级优化与电荷转移增强的19.58%效率二元有机太阳能电池

第一作者：涂开槐

通讯作者：段泰男*，黄佩豪*，肖泽云*

单位：中国科学院重庆绿色智能技术研究院

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研究背景

近年来，有机太阳能电池（OSCs）的发展主要得益于Y系列受体及其衍生物的应用。研究者对受体分子中中心卤素原子和末端卤素原子的种类/数量及取代位点进行了广泛研究，并取得了显著进展。然而，中心卤素原子位点对受体光伏性能的影响仍缺乏深入探讨。

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文章简介

近日，中科院肖泽云团队基于结构对称的CH-6F，通过密度泛函理论（DFT）计算与分子动力学模拟，合理设计了两种具有不同中心核心氟化取代位点的非对称受体（CH-o2F和CH-m2F）。理论分析揭示了其更匹配的能量层级以及可能改善的分子堆积特性，从而激发了进一步的实验研究。理论预测表明，最低未占据分子轨道（LUMO）能级上移和紫外吸收蓝移有助于提升开路电压（VOC）。飞秒瞬态吸收光谱测试结果显示，在PM6:CH-m2F薄膜中激子扩散和解离速度更快。此外，良好的混溶性、增强的电荷迁移率以及降低的复合损失进一步提高了填充因子（FF）和短路电流密度（JSC）。通过能级调控与分子堆积优化的协同作用，二元有机太阳能电池实现了高达19.58%的功率转换效率（PCE）。本研究突出了精确调控氟化位点在调节光电性能中的关键作用，并为高效有机太阳能电池的开发提供了新思路。

图1. a）分子结构和（b）受体的偶极矩。c）归一化薄膜吸收光谱。d）受体和二茂铁的循环伏安图。e）PM6和受体的能级图。

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本文要点

要点一：理论计算揭示能级水平调整与分子堆积优化潜力

通过密度泛函理论(DFT)计算，研究人员发现将CH-6F中心核心上的两个氟原子替换为不同的位置（生成CH-o2F和CH-m2F），可以导致最低未占分子轨道(LUMO)能级上移，从而提高开路电压(VOC)。分子动力学(MD)模拟表明，与PM6混合时，CH-m2F表现出更紧密的分子堆积，这有助于改善活性层的形貌，进而促进电荷迁移率并减少复合。

图2. a）PM6和受体的静电势分布和分子极化指数。b）通过MD模拟的PM6:CH-6F、PM6:CH-o2F和PM6:m2F共混物膜的最终快照。模拟膜的（c）受体相对于PM6、d）PM6相对于PM6和（e）受体相对于受体的质心径向分布函数g（r）。

要点二：异构化策略有效调节了材料能级与电荷转移

提出了一种新的氟原子位置异构化策略，针对Y系列受体中心扩展共轭核进行氟原子的位置调换。这种策略能够精细调节材料的能量水平、吸收光谱、结晶性以及活性层形貌和载流子迁移率等。

图3. a）器件结构图。b）电流密度-电压（J-V）特性和（c）优化后OSCs的EQE谱图。d）PM6:CH-m2F器件的热稳定性和存储稳定性。

图4.（a）JSC和（b）VOC的光强依赖性。c）激子解离/电荷收集效率。d）瞬态光电流和（e）瞬态光电压衰减动力学。f）优化后器件的载流子迁移率。

图5. 共混物膜的形态表征。a-c）AFM高度/相位图像。d-f）PM6:CH-6F、PM6:CH-o2F和PM6:CH-m2F基器件的共混物膜的2D GIWAXS图案和（g）1D线切割。

图6. 具有不同衰减时间的三种共混物膜的2D TA图像（a-c）和相应的TA光谱（d-f）。三种共混物膜在840 nm（g）和920 nm（i）下的动力学迹线探测。h）比较τ1和τ2。

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文章链接

Rational Manipulation of Fluorination Sites Enables 19.58% Efficiency Binary Organic Solar Cells with Optimized Energy Levels and Improved Charge Transfer

https://doi.org/10.1002/adfm.202511914

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通讯作者简介

段泰男副研究员简介：中科院重庆绿色智能技术研究院副研究员，研究方向为有机光电功能材料。以第一/通讯作者在Angewandte Chemie、Energy & Environmental Science、Nano Energy等SCI期刊上发表论文多篇；主持中国科学院青年创新促进会会员项目、国家自然科学基金青年基金、重庆市自然科学基金面上项目；入选中国科学院青年创新促进会、重庆巴渝学者青年学者。

黄佩豪助理研究员简介：博士，中国科学院重庆绿色智能技术研究院助理研究员。主要研究领域为光伏材料的第一性原理计算设计和基础理论研究。发表论文三十余篇，以第一/通讯作者在PNAS、AFM、Small和Cell Rep. Phys. Sci.等期刊发表论文。主持国家自然科学基金、重庆市自然科学基金等项目。

肖泽云研究员：中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员，教授，博士生导师。先后在浙江大学，中国科学院上海有机化学研究所，瑞典隆德大学，澳大利亚墨尔本大学学习和开展研究工作，2017年12月加入中国科学院重庆绿色智能技术研究院。长期从事有机/高分子/超分子功能材料及光电器件的研究，发表论文100余篇，其中以通讯作者发表的论文包括Joule，Nature Commun.，Sci. Adv.等。