北理工團(tuán)隊(duì)在雙非對(duì)稱末端基小分子受體的二元有機(jī)太陽(yáng)能電池方面取得新進(jìn)展
發(fā)布日期：2026-06-03 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王金亮教授團(tuán)隊(duì)在基于區(qū)域規(guī)整的雜氟/溴化雙非對(duì)稱端基的小分子受體材料構(gòu)筑及其在高性能二元有機(jī)太陽(yáng)能電池方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Manipulating Heavy Halogenated Asymmetric Terminals Affords Regio-Regular Hetero-Fluorinated/Brominated Dual Asymmetric Acceptor with a Binary Photovoltaic Efficiency of 20.3%”為題發(fā)表在國(guó)際化學(xué)頂級(jí)期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。北京理工大學(xué)為唯一通訊單位，王金亮教授為本論文唯一通訊作者?；瘜W(xué)與化工學(xué)院博士研究生Aslam-Muhammad Shahid和榮洪晨為該論文的共同第一作者。
有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）因其具有柔性、輕質(zhì)、可溶液加工和半透明等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已成為下一代清潔能源技術(shù)的重要候選者。隨著小分子受體（SMA）設(shè)計(jì)的不斷演進(jìn)，其能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）已逐步跨越20%的大關(guān)。在眾多分子工程策略中，通過(guò)末端基團(tuán)的鹵素工程調(diào)節(jié)分子的光電特性和堆積行為被證明是提升效率的最有效手段之一。然而，如何精準(zhǔn)控制重鹵素（如溴、碘） 在非對(duì)稱末端中的位置，并合成具有區(qū)域規(guī)整性（Regio-regular） 的雙非對(duì)稱小分子受體，依然是該領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)，進(jìn)而導(dǎo)致二元光伏器件相對(duì)低的PCE。
針對(duì)上述的科學(xué)挑戰(zhàn)，國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才王金亮教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合前期在非對(duì)稱有機(jī)小分子受體材料（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19241; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202216340（熱點(diǎn)和ESI高被引論文）; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202313016; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202506795（熱點(diǎn)論文）等）以及雜鹵代端基的小分子受體（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209454; Energy Environ. Sci., 2022, 15, 320等）的分子創(chuàng)制和二元光伏性能調(diào)控方面的研究基礎(chǔ)，提出了一種創(chuàng)新的雙非對(duì)稱末端的分子工程策略，旨在通過(guò)精細(xì)調(diào)控末端重鹵素取代，平衡光伏參數(shù)并突破二元器件效率瓶頸。成功合成并系統(tǒng)對(duì)比了三種全局非對(duì)稱小分子受體（AY2F-ClF、AY2F-BrF、AY2F-IF）以及一種對(duì)稱受體（SY-2(FBr)）的光電行為、分子間單晶堆積結(jié)構(gòu)、以及對(duì)相應(yīng)二元OSCs的光伏性能和能量損失的影響。
圖1：基于重鹵化端基的全局非對(duì)稱/對(duì)稱小分子受體的設(shè)計(jì)策略和分子結(jié)構(gòu)及其薄膜吸收性質(zhì)、能級(jí)分布和結(jié)晶性對(duì)比。
這些分子的核心特點(diǎn)在于引入了區(qū)域規(guī)整的異雙鹵化非對(duì)稱末端（圖1）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著鹵素原子從氯到溴再到碘的演變，分子的光收縮帶隙逐漸變窄，HOMO能級(jí)顯著上移，有效增強(qiáng)了分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移（ICT）效應(yīng)。通過(guò)單晶X射線衍射分析（圖2），觀察到非對(duì)稱受體AY2F-BrF在單晶狀態(tài)下展現(xiàn)出最小的扭曲角和最高的分子堆積密度。這種緊密的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配合多維度、強(qiáng)有力的電子耦合，為電荷的高速傳輸提供了理想的通道，其純膜狀態(tài)下的電子遷移率顯著優(yōu)于其他對(duì)照組分子。在器件性能測(cè)試中，基于D18:AY2F-BrF的二元器件表現(xiàn)異常出色，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)20.3%的能量轉(zhuǎn)換效率（圖3）。這一數(shù)值刷新了基于非對(duì)稱末端小分子受體的二元體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的效率紀(jì)錄。深入的載流子動(dòng)力學(xué)研究表明，AY2F-BrF器件性能的全面提升得益于其優(yōu)化的相分離形貌、更快的激子解離過(guò)程以及更高效的電荷收集能力。通過(guò)飛秒瞬態(tài)吸收光譜（fs-TA）和傅里葉變換光電流光譜（FTPS-EQE）分析證實(shí)，該體系不僅具有極快的空穴轉(zhuǎn)移速率，還成功抑制了非輻射復(fù)合損失，使總能量損失（Eloss）降低至0.512 eV，在保持高短路電流的同時(shí)顯著提升了開(kāi)路電壓和填充因子。
圖2：基于重鹵化端基的全局非對(duì)稱/對(duì)稱小分子受體的晶體堆積模式及其對(duì)應(yīng)的π-π 堆積距離和電子耦合對(duì)比
綜上所述，本項(xiàng)工作通過(guò)全局非對(duì)稱分子骨架與區(qū)域規(guī)整的局部異鹵化末端的協(xié)同策略，完美解決了重鹵素取代帶來(lái)的合成和性能上的挑戰(zhàn)。研究有力證明了區(qū)域規(guī)整的氟溴化異質(zhì)末端在優(yōu)化分子排列、提升薄膜結(jié)晶度以及降低電壓損失方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。這一突破不僅展示了二元有機(jī)太陽(yáng)能電池在不依賴三元組分的情況下也能實(shí)現(xiàn)超過(guò)20%的卓越效率，還為未來(lái)設(shè)計(jì)高性能、低能量損失的二元非對(duì)稱光伏受體材料提供了啟發(fā)性的分子設(shè)計(jì)思路。
圖3：4種受體材料與給體D18的二元有機(jī)太陽(yáng)能電池J-V曲線、發(fā)表的基于非對(duì)稱末端小分子受體的二元體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池性能、器件的能量損失、共混薄膜結(jié)晶性、載流子遷移率、空穴轉(zhuǎn)移速率擬合參數(shù)等對(duì)比圖。
上述研究工作得到了國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者計(jì)劃/特立學(xué)生科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目以及北京市智能分子材料與高通量制造北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心的支持。北京大學(xué)姚澤凡副研究員、北京理工大學(xué)光電學(xué)院宋寅教授、北京化工大學(xué)張志國(guó)教授、北京工商大學(xué)李熊教授、中科院化學(xué)所朱曉張研究員團(tuán)隊(duì)給予了大力支持。上海同步輻射光源中心BL02U2線站為2D-GIWAXS 測(cè)試提供了支持。
分享到：