北师大薄志山等：不对称侧基策略制备高效有机太阳能电池非稠环电子受体

研究背景

近年来，基于稠环电子受体(FREAs)的有机太阳能电池(OSCs)取得了耀眼进展。然而，这些FREAs(如Y6和IT-4F)体系的复杂合成和低产率造成的高成本问题，使得它们的进一步商业化应用受到了一定的阻碍。为了降低受体材料的成本，非稠环电子受体(NFREAs)逐渐受到广泛研究者的青睐。尽管如此，基于NFREAs的OSCs的功率转换效率(PCE)仍然与FREAs有一定的差距。因此，开发高效率的NFREAs是首要任务，其中NFREAs结构的设计与其功能化紧密关联。与FREAs相比，NFREAs分子骨架的刚性和结晶度较低，同时也要保证良好的溶解性。因此，进一步优化分子设计，将增强分子溶解性、平面性与高结晶性三者协同调控，达到最好的平衡，是提升NFREAs光伏性能的关键因素。在前期的工作中薄志山团队在非稠环领域的分子设计中引入二苯胺等侧基和超分子作用等以及在器件方面开展了系统的研究。

Asymmetric Side-Groups Engineering of Nonfused Ring Electron Acceptors for High-Efficiency Thick-film Organic Solar Cells

Dawei Li, Nan Wei, Ya-Nan Chen, Xiaodong Wang, Xu Han, Ziqing Bian, Xinyuan Zhang, Zhe Zhang, Wenkai Zhang, Xinjun Xu, Cuihong Li*, Yahui Liu*, Hao Lu*, and Zhishan Bo.*

Nano-Micro Letters (2026)18: 81

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01905-y

本文亮点

1. 采用非对称侧链策略，设计并合成了非稠环电子受体TT-Ph-C6，显著提升了溶解度并诱导三维分子堆积。

2. 强π–π相互作用优化了共混薄膜形貌，使TT-Ph-C6器件实现18.01%的光电转换效率(PCE)和80.10%的填充因子(FF)，优于传统对称链受体2BTh-2F的16.78%PCE。

3. 较长的激子扩散长度与快速的激子解离赋予TT-Ph-C6优异的厚膜容忍度：在200 nm活性层厚度下仍保持15.18%的PCE，300 nm下仍达14.64%，是非稠环受体文献报道的最高值之一。

内容简介

本工作中，北京师范大学薄志山、李翠红教授和青岛大学刘亚辉教授、路皓副教授等整合了不对称的苯基烷基氨基侧基，设计了NFREA，命名为TT-Ph-C6。不对称侧基使得NFREA保证了其优异的溶解性，同时其晶体结构呈现出具有三维分子堆积网络的紧密堆积结构，更优于传统二苯胺侧基的堆积。这些结构属性显著促进激子扩散速率和电荷载流子迁移率，也保留了长激子扩散距离，这些特性尤其对厚膜器件的制备极为有利。与D18共混时，形成的D18: TT-Ph-C6薄膜显示出更高的结晶性和显著的纳米纤维网络，该器件中获得了超过18%的光电转换效率，尤其是填充因子(FF)值也超过80%。在厚膜器件，即300 nm薄膜厚度时，PCE仍保持在14.64%，远超基于2BTh-2F的器件。

图文导读

I TT-Ph-C6的晶体结构

受体分子的晶体结构对OSCs的光伏性能具有很重要的影响。为深入解析TT-Ph-C6的单晶结构特征，采用X-射线衍射技术对其单晶进行测试与解析。如图1a、b所示，该受体在晶胞内呈现两种构象(α与β)。两种构象中，外侧thiophene[3,2-b]thiophene单元与末端基元的扭转角分别仅为0.8°与4.7°，表明骨架具有极高的共面性与结构稳定性。

进一步分析发现，α与β构象的分子内S···O=C 距离分别为2.73 Å与2.68 Å，均远小于S–O范德华半径之和(3.25 Å)，证实存在强烈的S···O非共价锁定作用；而S···N距离分别为2.97 Å与3.04 Å，亦显著低于S–N范德华半径之和(3.50 Å)，提示S···N相互作用同样对骨架刚性化作出贡献。

单晶堆积图(图1c)揭示，两种构象共存且受非对称侧链调控，形成两种π–π堆积模式：模式1为α-α平行滑移堆积(dπ–π = 3.21 Å)；模式2为α-β异构堆积(dπ–π = 3.38 Å)。此外，相邻分子间存在S···π相互作用，α-α与α-β间距分别为3.44 Å与3.48 Å。图1d显示，晶体呈三维交错网络，内嵌平行四边形孔道(20.44 × 16.07 Å)，既保证结构致密性，又构建连续三维电子传输通道，为提升电子迁移率奠定结构基础。这些特性赋予TT-Ph-C6更强大、更高效的三维电子传输网络，这有利于提高电荷转移效率 ——这是实现高Jsc和FF的关键因素。

图1. TT-Ph-C6单晶结构。

II 激子动力学与激子扩散长度

为深入阐明采用非对称非稠环电子受体(NFREA)的高效光电转换机制，利用飞秒时间分辨吸收光谱(fs-TA)系统研究了给/受体共混薄膜中的激子动力学过程(图2)。如图2a、b所示，以800 nm选择性激发受体，可清晰追踪共混体系中的空穴转移路径。首先，受体在650–750 nm与750–850 nm出现两个基态漂白(GSB)负信号；随后，D18给体通过高效空穴转移，在约550 nm与600 nm处出现显著GSB负峰。

为定量解析给/受体(D/A)界面空穴转移动力学，对600 nm GSB信号进行双指数拟合(图2c、d)。其中τ₁反映界面激子解离，τ₂对应激子从相区扩散至界面的过程。D18:TT-Ph-C6共混膜的τ₁ = 1.40 ± 0.19 ps、τ₂ = 26.91 ± 1.70 ps，均显著短于D18:2BTh-2F的τ₁ = 2.23 ± 0.27 ps、τ₂ = 35.12 ± 2.87 ps，表明非对称受体界面的激子解离与扩散更为迅捷。结合纯受体激子衰减动力学，定量估算空穴转移效率(HTE)。D18:TT-Ph-C6体系的HTE由86.3%(D18:2BTh-2F)提升至91.2%，更快的电荷转移速率有效促进电荷生成与收集，直接将Jsc与FF有同步提升。

进一步利用fs-TA测定激子扩散长度LD。方法基于低激发密度下的单分子激子衰减与高激发密度下的双分子激子–激子湮灭两种极限行为(图2e、f)。在 1.03 μJ cm⁻2 低通量下，TT-Ph-C6与2BTh-2F薄膜半衰期分别为20.17 ps与13.30 ps；当通量升至98.86 μJ cm⁻2 时，半衰期急剧缩短至1.31 ps与1.61 ps。利用LD = (Dτ)1/2关系，得到TT-Ph-C6与2BTh-2F的激子扩散长度分别为17.17 nm 与13.36 nm。扩散长度的显著增加意味着TT-Ph-C6器件中电荷复合损失被有效抑制，为Jsc的进一步提升提供了有效保障。

图2. 给/受体共混薄膜中的激子动力学过程。

III 厚膜体系的研究

为充分挖掘非对称受体TT-Ph-C6在厚膜工况下的结构优势，系统制备了不同活性层厚度的OSC器件。如图3所示，当膜厚由100 nm增至300 nm时，两种器件的PCE随着膜厚而降低。厚膜器件的EQE光谱显示，基于TT-Ph-C6的器件优于基于2BTh-2F的器件，表明TT-Ph-C6的光利用和电荷产生效率更高。这强调了TT-Ph-C6在较大厚度下保持有效光电流产生的显著优势，这是提高OSCs性能的关键因素。

图3. 厚膜器件的光伏性能。

IV 总结

本研究中设计了一种非稠环电子受体(NFREA)——TT-Ph-C6，其引入非对称侧链结构，在光伏性能上较传统对称型受体2BTh-2F有显著提升。得益于更紧密的分子排列与增强的π–π堆积作用，TT-Ph-C6不仅表现出更高的电子迁移率，还有较长的激子扩散长度，器件PCE达到18.01%，FF高达 80.10%，均优于对称侧链2BTh-2F的16.78%。

尤为突出的是，TT-Ph-C6 在厚膜条件下仍保持优异性能：活性层厚度200 nm时PCE仍达15.18%，增至300 nm时PCE为14.64%，为非稠环受体中的最高值之一。

总之，非对称侧链的分子设计策略为开发低成本、高性能NFREA提供了全新思路，对推动OSCs向高效率、厚度容忍型方向的发展具有重要的科学价值与应用潜力。

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