有機太陽能電池( OSCs)作為一種新興的可再生清潔能源，具有質輕、柔性、可大面積印刷等優勢，近年來得到廣泛關注。得益于新材料的出現，目前有機太陽能電池的光電轉換效率已經突破19%。然而，要想突破20%的效率瓶頸，同時實現有序的分子排列、合適的結晶區尺寸以及減少非輻射損失是面臨的巨大挑戰。
 

　　近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所有機光電材料與器件團隊在葛子義研究員帶領下在前期高效率和柔性有機太陽能電池研究的基礎上(Nature Photonics, 2015, 9, 520; Joule, 2021, 5, 2395; Advanced Materials, 2019, 31, 201902210; Advanced Materials, 2022, 34, 2202752; Energy Environ. Sci., 2023, 16, 3119; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2808.), 最近在高效率有機太陽能領域又取得了新進展。該團隊設計并成功合成了高度有序的喹喔啉基小分子受體SMA，引入PM6:BTP-eC9體系中，選用自組裝單分子層2PACZ作為空穴傳輸層，獲得了剛性20.22%和柔性18.42%的光電轉換效率，分別是目前國際上公開報道的剛性和柔性有機太陽能電池的最高效率。
 

　　在該工作中，科研人員設計合成了高度有序排列的新型喹喔啉基小分子受體SMA，同時該分子具有較高的最低未占據(LUMO)分子軌道能級，將其作為客體加入到PM6: BTP-eC9體系中，會對給、受體的液態-固態轉變產生影響，在保證合適相區尺度的同時能夠加快受體材料的結晶和有序排列。有序性的增強和較高的LUMO能級受體SMA的加入減小了烏爾巴赫能和非輻射復合損失。同時，SMA的加入優化了垂直形貌，減小了雙分子復合。最終，得益于提升的開路電壓、短路電流以及填充因子，基于PM6:BTP-eC9:SMA的三元器件獲得了剛性20.22%的光電轉換效率，這是目前公開報道的單結有機太陽能電池的最高效率。同時，基于該體系的柔性器件獲得了18.42%的光電轉換效率，彎曲2000次后能夠保持初始效率的96%，具有較好的機械穩定性。
 

　　該工作以“20.2% Efficiency Organic Photovoltaics Employing a π-Extension Quinoxaline-Based Acceptor with Ordered Arrangement”為題發表在國際頂級期刊Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.202406690.)，陳振宇博士和葛金峰博士為本文共同第一作者，葛子義研究員、葛金峰博士和宋偉博士為本文的通訊作者。
 

　　該研究得到了國家杰出青年科學基金(21925506)、國家自然科學基金(U21A20331)、國家自然科學基金聯合基金(21925506)、浙江省自然科學基金(LQ22E030013)、中國博士后科學基金(GZC20232794、2023M743617)等的支持。
 

　　圖 (a)活性層分子式；(b)給、受體分子的能級；(c)給、受體吸收范圍；(d-e)BTP-eC9和SMA的2D-GIWAXS圖；(f)光伏器件的J-V曲線；(g)光伏器件的EQE曲線