国科大黄辉/张昕团队Angew. Chem.：调控稠环电子受体中的分子内非共价相互作用，实现低能量损失的有机太阳能电池

第一作者：古晓斌、魏亚男、曾瑞

通讯作者：黄辉*，张昕*

单位：中国科学院大学

有机太阳能电池（OSCs）是一种面向国家“双碳”战略的新兴可再生能源技术，在光伏建筑和可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。但其能量转换效率（PCEs）仍然落后于硅和钙钛矿太阳能电池，这主要受限于较低的开路电压和较高的能量损失。根据能隙定律，目前高性能的稠环电子受体（FREAs）具有窄带隙和近红外吸收的特点，从而导致激发态到基态的振动弛豫加速（图1a）。这种强的电子-声子相互作用（即激子-振动耦合）会引起较大的非辐射复合损失，限制了OSCs效率进一步提升。

需要注意的是，这类电子受体材料由高度稠环化的中心核与吸电子端基通过C-C可旋转单键连接而成，其中分子内S‧‧‧O非共价相互作用能够有效保持稠环电子受体的分子平面性（图1b）。然而，上述提到的激子-振动耦合与分子刚性密切相关，因此进一步增强稠环电子受体的分子刚性将有助于降低非辐射复合损失。前期中国科学院大学黄辉教授团队通过理论计算与实验相结合，提出了衡量分子内非共价相互作用强度的描述符（图1c），这对开发高刚性和低能量损失的稠环电子受体材料具有重要指导意义。

基于此，中国科学院大学黄辉教授/张昕副教授团队在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表题为“Suppressing Exciton–Vibration Coupling via Intramolecular Noncovalent Interactions for Low-Energy-Loss Organic Solar Cells”的研究论文。该工作通过逐步引入更强的分子内Se‧‧‧O非共价相互作用，系统调控了稠环电子受体的分子刚性，有效抑制了激子-振动耦合和非辐射能量损失。具有双重分子内Se‧‧‧O非共价相互作用的Y-SeSe基二元和三元光伏器件分别实现了19.49%和20.51%的光电转换效率，分别刷新了目前硒取代光伏材料和三元光伏器件的效率记录。

图1. a) 激子-振动耦合和分子刚性；b) 稠环电子受体中的可旋转C-C单键；c) 用于衡量分子内非共价相互作用强度的描述符（S）；d) 本工作中设计的新型稠环电子受体

本工作基于增强稠环电子受体分子刚性从而降低激子-振动耦合的思路，通过硒原子位置异构化巧妙的实现了分子内Se‧‧‧O非共价相互作用的构建，设计并合成了三个新型稠环电子受体（图1d）。

要点二：新型烷基化噻吩并硒吩砌块

图2. 新型稠环电子受体的合成路线

为了获得硒原子位置异构化的稠环电子受体，作者首先设计并合成了两个新型2-丁基辛基（BO）取代的噻吩并硒吩砌块（9a-b），进一步通过一锅法的Stille交叉偶联反应得到三个关键中间体（11a-c），最后获得三个分别具有双重分子内S‧‧‧O，S‧‧‧O+Se‧‧‧O，和双重Se‧‧‧O非共价相互作用的新型稠环电子受体（Y-SS，Y-SSe和Y-SeSe）。

要点三：分子内非共价相互作用强度及其对分子刚性的贡献

图3. DFT理论计算和光谱学研究

DFT计算得到分子内S‧‧‧O和Se‧‧‧O非共价相互作用的S值为1.386和0.513，证明分子内Se‧‧‧O非共价相互作用强于分子内S‧‧‧O非共价相互作用，因此具有更大的旋转势垒。进一步证明了逐步引入更强的分子内Se‧‧‧O非共价相互作用能够有效降低重组能并抑制振动弛豫，获得更小的Stokes位移，表明分子刚性得到了显著增强，因此有效抑制了稠环电子受体的激子-振动耦合。

要点四：单晶结构和堆积行为

图4. 单晶结构和堆积模式

单晶XRD衍射分析结果表明，分子内S‧‧‧O 和Se‧‧‧O非共价相互作用都能够较好的保持稠环电子受体的共平面性，但引入更强的Se‧‧‧O NoCLs能够诱导多重分子间堆积模式，从而获得更加紧密的分子堆积，这有利于高效的电荷传输。

要点五：低能量损失和高光电转换效率

图4. 光伏性能与器件物理研究

器件结果显示，具有双重分子内Se‧‧‧O非共价相互作用的Y-SeSe基二元器件获得了19.49%的PCE和极低的能量损失（0.184 eV），刷新了硒取代光伏材料的效率记录。此外，为了进一步探发掘Y-SeSe的潜力，作者制备的D18:Y-SeSe:Z19的三元共混器件实现了20.51%（SIMIT认证效率为19.92%）的能量转换效率，这是目前三元OSCs的最高效率。

本工作通过理性的分子设计、系统的理论计算和实验表征充分展示了分子内非共价相互作用在构建低能量损失和高性能稠环电子受体中的巨大应用潜力，为OSCs进一步实现效率突破提供了新思路。

中国科学院大学博士研究生古晓斌为本文第一作者，中国科学院大学魏亚男博士和上海交通大学博士研究生曾瑞为共同第一作者，中国科学院大学黄辉教授和张昕副教授为论文的共同通讯作者。作者感谢国家自然科学基金委、中国科学院等相关项目的资助。

Suppressing Exciton–Vibration Coupling via Intramolecular Noncovalent Interactions for Low-Energy-Loss Organic Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202418926.

黄辉教授主要从事有机/高分子半导体材料的合成和应用研究，迄今发表高水平学术论文130余篇，其中包括：Nat. Chem.、Nat. Mater.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、CCS Chem.等国内外顶尖学术刊物。目前任中国化学会副秘书长、高分子学科委员会委员、分子聚集发光委员会委员、 InfoMat、Sci. China Chem.编委等。先后获得多项奖励与荣誉，包括中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖、中科院朱李月华优秀教师奖、中科院优秀导师奖等，获国家杰出青年基金资助。

古晓斌目前正在中国科学院大学材料科学与光电技术学院攻读博士学位，主要研究兴趣为低成本、高性能电子受体材料的设计与合成。

本课题组的主要方向是有机/高分子半导体材料的合成及应用。

具体方向包括：

1. 开发有机高分子半导体材料的绿色、宏量、精准合成方法

2. 研究高性能有机高分子材料的新型设计策略

3. 探索有机高分子半导体材料的光电应用