张亚杰研究员、张兴华教授、魏志祥研究员， Small文章：立体异构非富勒烯受体有机太阳能电池

第一作者：刘丽萱，闫阳郡

通讯作者：张亚杰*，张兴华*，魏志祥*

单位：国家纳米科学中心，北京交通大学

支化烷基链在有机半导体材料中广泛使用以调节溶液可加工性和活性层形貌，支化中心作为一点典型的中心手性碳原子，其立体异构体对光伏性能的影响却少有被研究。对于目前引领有机太阳能电池领域的明星材料Y系列非富勒烯受体，合成过程中不具备立体选择性的烷基化反应使得目标产物是3种立体异构体的混合物，混合物中单一手性分子的相互作用以及相互作用对分子堆积、聚集形貌、电荷输运及器件性能的影响尚不清楚。

在前期的研究工作中，魏志祥研究员团队在手性有机光电材料和器件方面已取得一系列进展。例如，通过分子手性位点增加协同超分子组装策略，基于手性吡咯并吡咯烷酮实现了对紫外-可见光区圆偏振光的探测（ACS Mater. Lett. 2022, 4, 401-409）；进一步通过将手性烷基链引入Y系列非富勒烯受体骨架，成功诱导近红外区域的光学活性，基于有机二极管和有机场效应晶体管实现了近红外区域圆偏振光探测并研究了选择性响应机理（Adv Mater. 2023, e2304627；Adv. Mater. 2023, 35, 2209730；Small. 2022, 18, 2202941）；此外，基于手性Y系列非富勒烯受体衍生物的多晶膜还发现了有趣的激子极化激元效应，有望为有机光伏体系带来新的认知（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 2040-2044）。

最近，在上述工作基础上，来自国家纳米科学中心的魏志祥研究员、张亚杰研究员与北京交通大学的张兴华教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Stereoisomeric Non-fullerene Acceptors Based Organic Solar Cells”的研究文章。该文章基于Y系列受体材料的手性衍生物，实验结合理论模拟系统探究了手性对于器件光伏性能的影响（图1）。

该研究将手性烷基链引入非富勒烯受体BTP-4F，设计合成了一对对映异构体(S,S)-/(R,R)-BTP-4F（图2）。值得注意的是，与光学纯(S,S)-/(R,R)-BTP-4F薄膜相比，外消旋体(S,S)-:(R,R)-BTP-4F(1:1)的薄膜在约720 nm处有更明显的振动能级吸收峰，如图1b中的灰色圆圈所示，这表明外消旋混合物中的光学纯分子可能优先与其对映异构体相互作用，而不是与其自身相互作用。在110℃的热退火薄膜中仍然可以观察到这种吸收特征。吸收光谱表明，在分子自组装过程中手性烷基侧链诱导形成了不同的分子聚集。

激发态动力学研究表明，相比于单一手性分子，外消旋混合物具有快速的空穴转移速率和较长的极化子寿命（图3）；进一步对于激子解离过程的理论模拟显示，外消旋体提供了丰富的电荷扩散途径，利于有效的电荷传输。因此，与对映体纯分子相比，外消旋体系的光电转换效率从17.24%/17.15%提升至18.16%，能量损失从0.594 eV/0.591 eV降低至0.549 eV。该研究结果表明手性可以作为调控分子间相互作用的有效手段，有助于加深对于有机太阳能电池领域中构效关系的理解。

Stereoisomeric Non-Fullerene Acceptors-Based Organic Solar Cells

张亚杰 副研究员

2010年于中国科学院化学研究所获得博士学位，2010年入职国家纳米科学中心。主要从事有机光电子功能材料与器件相关研究。主持国家自然科学基金3项在Nat. Commun.; J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.等期刊发表SCI论文60余篇，他引4700余次。

2009年于中国科学院化学研究所获得博士学位，在美国科罗拉多州立大学从事博士后研究，2012年入职北京交通大学。现为物理科学与工程学院教授、博士生导师、北京市青年名师。从事高分子物理、光电功能材料等方面研究，主持国家自然科学基金4项、省部级项目4项，在ACS Nano、Small、Advanced Energy Material、JPCL等期刊发表SCI论文60余篇。

魏志祥 研究员

国家纳米科学中心，杰青。研究方向为有机光电功能材料与柔性器件，负责本项目的全面工作，在Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., 等期刊上发表论文200余篇，他引15000余次 。曾获中国青年科技奖，北京市自然科学一等奖（排名第二），国家自然科学二等奖（排名第二）等奖励。

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