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供稿、供图：探花视频    编辑：田柳

近日，探花视频-精品探花视频 王金亮教授团队在新型非对称硒取代小分子受体材料构筑及其在高性能有机太阳能电池器件化应用方面取得重要进展。相关成果以 “Multiple-Asymmetric Molecular Engineering Enables Regioregular Selenium-Substituted Acceptor with High Efficiency and Ultra-low Energy Loss in Binary Organic Solar Cells”为题，作为热点论文发表在国际化学顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》(Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202506795)上。探花视频 为第一通讯单位，探花视频 王金亮教授和武汉大学闵杰教授为共同通讯作者，探花视频 博士研究生杨灿和武汉大学博士研究生高远为该论文的共同第一作者。

在“双碳”战略背景下，作为新一代光伏技术的代表之一，有机太阳能电池（OSCs）因其具有良好的溶液加工性、轻、薄、柔、半透明等特性而受到学术界和工业界的广泛关注，并在便携可穿戴电子、光伏建筑一体化等领域展现出巨大的商业应用潜力。但与晶硅和钙钛矿等无机材料的太阳能电池相比，有机太阳能电池仍然面临因其有机活性层材料具有激子结合能大和载流子迁移率低的固有特性，导致相对较低的开路电压（V_OC）和较大的能量损失（E_loss），尤其是严重的非辐射复合能量损失（ΔE₃），进而导致相对低的能量转换效率（PCE）。因此，通过采用创新的分子工程来精准调控小分子受体（SMA）的分子间晶体堆积，并同时实现具有较高效率和较低能损的高性能二元OSC是目前该领域亟待解决的关键科学问题之一。 

图1. 四个非对称硒取代受体材料的分子设计策略、分子结构及其光电性质和能级分布 

针对上述的关键科学问题，国家级领军人才王金亮教授团队在前期非对称取代的有机小分子太阳能电池受体材料的创制及其在高性能有机太阳能电池中的应用研究工作(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19241, ESI高被引论文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202216340，ESI高被引论文; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202313016; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209454; Energy Environ. Sci., 2022, 15, 320，ESI高被引论文等)的基础上，为了实现更高光电转化效率和兼具较低能损的非对称小分子受体材料体系，最近采用一种“核心-侧链-端基”多重非对称的分子工程，通过调控端基外围氟原子和氯原子取代数量和位置，设计合成了两个双重非对称的小分子受体（DASe-4F和 DASe-4Cl）和一对三重非对称的异构化小分子受体（TASe-2Cl2F和TASe-2F2Cl），其具有相同的双重非对称的硒取代中心核，但具有四种不同氟/氯原子取代数量和取代位置的端基（四氟、四氯、双氯双氟、双氟双氯）（图1）。系统地探讨了四种区域规整的多重非对称小分子受体的光电行为、分子间堆积的单晶结构、与聚合物给体PM1的共混形态以及对相应OSCs的光伏性能和能量损失的影响。 

图2. A-OSeF, DASe-4Cl, TASe-2F2Cl的晶体堆积模式及其对应的3D网状堆积结构 

单晶堆积模型（图2）分析表明：相比于单一非对称的硒取代核心的A-OSeF，“核心硒取代-侧链”双重非对称的核心骨架导致了受体分子3D堆积模式的改变；具有二氟/二氯杂化端基的三重非对称受体TASe-2F2Cl呈现出较大的分子间电子耦合相互作用以及更加紧密有序的3D网状堆积，进一步促进了电荷传输性能的提升。从DASe-4F到TASe-2Cl2F、TASe-2F2Cl和DASe-4Cl，纯相薄膜中的带隙变窄，LUMO能级略有降低，分子偶极矩逐渐增大（图1）。将其分别与聚合物给体PM1共混后，基于PM1:TASe-2F2Cl的共混膜呈现出更明显的“face-on”分子取向、更紧密的分子间堆积和增强的结晶性以及更合适的相分离形貌。结果，基于PM1:TASe-2F2Cl的二元器件效率高达19.32%，明显高于基于PM1:DASe-4F (18.27%)，PM1:DASe-4Cl (17.25%)，PM1:TASe-2Cl2F (16.30%)的器件结果（图3）。基于PM1:TASe-2F2Cl的二元器件取得优异的性能主要归因于其有效的激子解离和电荷收集、更平衡的电荷传输、利好的相分离形貌以及超低的E_loss（0.514 eV）和ΔE₃（0.179 eV）。令人印象深刻的是，19.32%的PCE以及0.514 eV的E_loss和0.179 eV的ΔE₃这样一个结果是基于硒取代核心的非对称小分子受体在二元本体异质结型有机太阳能电池器件中的最高值。此外，TASe-2F2Cl与其他流行的聚合物给体（如D18和PM6）匹配后表现出良好的普适性，在相应的二元器件中呈现出了不错的PCE值和超低的能损。

综上所述，这项系统性的工作为结合双重非对称的硒取代中心核（DAD核心）以及氟/氯代端基杂化数量和位置的调制提供了宝贵的见解，并强调了“端基-核心-侧链”三重非对称的分子设计策略是调节分子堆积行为和混溶性、改善器件性能参数之间的权衡、实现效率突破以及同步打破硒基受体的二元OSC中能损极限的颇具前景的有效途径之一。

图3. 四种非对称硒取代受体材料的有机太阳能电池器件性能对比

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目、国家级青年人才项目、北京市自然科学基金本科生“启研”计划、探花视频 特立青年学者计划、探花视频 研究生科研水平和创新能力提升专项计划重点项目、特立学生科技创新团队项目以及北京市光电转换材料重点实验室和探花视频 分析测试中心的支持。北京大学姚泽凡副研究员、韩国高丽大学Han Young Woo教授、探花视频 安桥石特别研究员和王楠副教授、中科院化学所朱晓张研究员团队给予了大力支持。

 文章链接：//doi.org/10.1002/anie.202506795 

（审核：王振华）