有機(jī)太陽(yáng)電池因其柔性、便攜性以及可溶液加工的優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。在加工溶劑的選擇中，相比于鹵代溶劑(如氯仿)，低毒性的非鹵溶劑(如鄰二甲苯)因其環(huán)境友好性和較好的器件性能重復(fù)性而逐漸受到研究者青睞，但有機(jī)光伏材料(尤其是A-DA’D-A類小分子受體)在非鹵溶劑中的溶解性較差，成膜過(guò)程較慢，常導(dǎo)致活性層出現(xiàn)過(guò)度分子聚集及不可控的形貌，從而嚴(yán)重?fù)p害能量轉(zhuǎn)換效率。此外，與鹵代溶劑相比，使用非鹵溶劑制備的有機(jī)太陽(yáng)電池通常因能量損失較大表現(xiàn)出較低的開(kāi)路電壓，這進(jìn)一步限制了能量轉(zhuǎn)換效率的提升。有機(jī)太陽(yáng)電池的能量損失受多種因素影響，包括缺陷態(tài)、結(jié)晶度以及供體/受體界面面積等，而這些因素與活性層的形貌密切相關(guān)。在非鹵溶劑加工過(guò)程中，分子的過(guò)度聚集以及分子堆積有序性的減弱會(huì)導(dǎo)致電荷遷移率失衡，并加劇非輻射復(fù)合，從而進(jìn)一步增加能量損失。因此，通過(guò)調(diào)控分子間的相互作用，抑制過(guò)度聚集，并提升小分子受體分子堆積的有序性，是減少非輻射復(fù)合損失、提高開(kāi)路電壓以及實(shí)現(xiàn)更高能量轉(zhuǎn)換效率的有效策略。
 

　　最近，在國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，化學(xué)所有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室李永舫課題組在A-DA’D-A類小分子受體L8-Ph的基礎(chǔ)上，通過(guò)在內(nèi)側(cè)鏈苯基末端引入兩種簡(jiǎn)單的取代基(氟原子和甲基)，合成了兩種新型受體L8-PhF和L8-PhMe，并研究了這些取代基對(duì)分子間相互作用、能量損失及使用非鹵溶劑加工的有機(jī)太陽(yáng)電池性能的影響。通過(guò)單晶分析和理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，L8-PhF雖然具有更強(qiáng)的分子間相互作用，但分子堆積的有序性較差；相比之下，L8-PhMe中由于甲基的引入表現(xiàn)出了更有效的非共價(jià)相互作用、更高比例的C-C相互作用和更有效的分子堆積重疊程度，提升了分子堆積的緊密度和有序性。當(dāng)將這些小分子受體與給體PM6共混時(shí)，分子間相互作用的差異影響了薄膜的成膜過(guò)程和共混薄膜的相分離行為。與L8-PhF和L8-Ph基薄膜相比，基于L8-PhMe的共混薄膜表現(xiàn)出更短的成膜時(shí)間和更均勻的相分離，基于L8-PhMe的有機(jī)太陽(yáng)電池展現(xiàn)出較低的非輻射能量損失和更高的開(kāi)路電壓。最終，以鄰二甲苯為溶劑、2PACz為空穴傳輸層制備的PM6:L8-PhMe器件表現(xiàn)出優(yōu)異的能量轉(zhuǎn)換效率(19.27%)和開(kāi)路電壓(0.90 V)，這是目前常溫非鹵溶劑加工的基于小分子受體的二元有機(jī)太陽(yáng)電池中最高開(kāi)路電壓之一。
 

　　該研究表明，通過(guò)內(nèi)側(cè)鏈的精細(xì)修飾，調(diào)控小分子受體的分子間相互作用，可以顯著降低非鹵溶劑加工的器件的能量損失。同時(shí)在小分子設(shè)計(jì)中，非共價(jià)相互作用的有效性比強(qiáng)度更為關(guān)鍵，對(duì)分子堆積、薄膜形貌及器件性能具有重要影響。相關(guān)成果近期發(fā)表在Angewandte Chemie-International Edition上(Angew. Chem. Int. Ed.2024,e202416016)，文章的第一作者為博士生武相錫，通訊作者為李驍駿副研究員和李永舫研究員。
 

　　圖1. a)L8-PhF和L8-PhMe的分子結(jié)構(gòu)；Hirshfield分析的b)L8-PhF和c)L8-PhMe的指紋圖(插圖表示C-C非共價(jià)相互作用的分解指紋圖)；根據(jù)單晶結(jié)果分析的d)L8-PhF和e)L8-PhMe的分子堆積示意圖。