中国科学院大学黄辉&张昕/上海交通大学刘烽AM：构筑高度互联电荷传输通道，实现非稠环电子受体基有机光伏效率新突破

第一作者：古晓斌、曾瑞

通讯作者：黄辉*，张昕*，刘烽*

单位：中国科学院大学，上海交通大学

有机半导体材料的电荷输运性质极大的影响（甚至决定）有机太阳能电池的性能，因此构筑高效电荷传输通道对实现高性能有机光伏器件至关重要。近年来，稠环电子受体的出现极大的推动了该领域的发展，特别是引入卤素原子调控分子间非共价相互作用以及设计香蕉型几何构型分子已经被证明是构建三维电荷传输网络并提升有机太阳能能量转换效率的有效策略。与稠环电子受体相比，非稠环电子受体由于其简单的分子结构和简便的合成路线等优势，或成为未来低成本有机太阳能电池的最佳候选者之一。然而，基于该类受体材料的有机光伏器件效率仍远落后于稠环电子受体，特别是目前仍然缺乏构筑高效非稠环电子受体电荷传输通道的方法。

近日，来自中国科学院大学的黄辉教授/张昕副教授团队与上海交通大学刘烽教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Simple-Structured Acceptor with Highly Interconnected Electron-Transport Pathway Enables High-Efficiency Organic Solar Cells”的研究论文。该工作通过调控非稠环电子受体的烷基拓扑结构，实现了一维链式传输通道到三维高度互联电子传输网络的转变，同时进行了全面深入的器件物理研究。基于D18:3TTB-4F的有机光伏器件实现了17.38%的光电转换效率（NPVM验证效率为16.59%），刷新了目前基于非稠环电子受体有机光伏器件的效率记录。

本工作开发了两个新型非稠环电子受体3TTS-4F和3TTB-4F，其具有相同的共轭主链，但侧链则分别采用直链和支链烷基取代（图1）。紫外-可见吸收光谱表明3TTS-4F和3TTB-4F在溶液态下保持几乎一致的吸收峰（~726 nm），但从溶液到薄膜具有显著不同的红移程度，说明其固态下分子堆积存在明显差异。

单晶XRD衍射分析结果表明，具有直链烷基取代的3TTS-4F晶体中存在两种沿主链方向平行滑移的有效堆积，因此在一维方向上进行π-π堆积从而形成了链状的电荷传输通道。相反，具有支链烷基取代的3TTB-4F不仅具有上述两种堆积模式，还观察到了轴向旋转的π-π堆积，因此在三维方向上构成了一个高度互联的电荷传输通道。

D18:3TTB-4F体系具有更有效的激子解离、抑制的电荷复合、更平衡的电荷输运、更低的能量损失以及更合适的相分离尺度，最终获得了高达17.38%的光电转换效率（验证效率为16.59%），刷新了基于非稠环电子受体有机光伏器件的记录值（图3）。该工作提供了一种构筑高度互联电荷传输网络的有效策略，并为实现高性能非稠环电子受体提供了新的研究思路。

Simple-Structured Acceptor with Highly Interconnected Electron-Transport Pathway Enables High-Efficiency Organic Solar CellsAdv. Matter., 2024, 2401370.

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、分子聚集发光委员会委员、青年工作者委员会委员， 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的资助。

张昕副教授长期从事有机半导体材料设计、合成和有机太阳能电池器件加工相关的研究。发表SCI论文60余篇（他引5000余次），其中包括：Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、CCS Chem.、Sci. China Chem.等著名化学及材料领域期刊。主持国家自然科学基金青年科学基金项目和中国博士后科学基金，2022年入选“中国科学院青年创新促进会”会员。

刘烽教授主要研究领域为高分子物理，同步辐射小角/广角散射技术，共振软光散射技术，XPCS技术，薄膜光伏电池非平衡形貌，全氟聚合物功能薄膜等。至今在包括Nat. Photon., Nat. Mater., Nat. Energy, Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc. 等顶级学术期刊上发表论文400余篇，H因子82，引用超过24000次；同时获得了包括科睿唯安高被引科学家、劳伦斯伯克利实验室亮点奖、美国化学会贡献奖、中国电子科技10大进展、知社年度学术新锐特别奖、中国国家优秀自费留学生奖等荣誉奖项。

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。

曾瑞目前正在上海交通大学化学化工学院攻读博士学位，主要研究兴趣为高性能有机太阳能电池的器件加工与制备