通过电子受体选择性不对称氟化增强单线态激子离域实现高效有机太阳能电池

针对有机太阳能电池(OSCs)中开路电压(VOC )与短路电流(JSC )的权衡问题，研究人员通过设计不对称氟化非富勒烯受体(NFAs)Z12，实现了19.5%的功率转换效率(PCE)。该研究揭示了增强离域单线态激子(DSE)形成的新机制，为突破OSCs性能瓶颈提供了新思路。

　　

在追求清洁能源的时代，有机太阳能电池(OSCs)因其轻质、柔性和可溶液加工等优势备受关注。然而长期以来，OSCs的性能提升面临一个根本性矛盾：通过界面电荷转移(CT)态实现的激子解离过程，往往导致开路电压(V_OC
)和短路电流(J_SC
)此消彼长的困境。传统富勒烯衍生物需要约0.3 eV的能量偏移(E_offset
)来驱动电荷分离，造成显著的能量损耗。虽然非富勒烯受体(NFAs)的出现使这一状况有所改善，但如何在不牺牲电荷生成效率的前提下降低能量损失，仍是领域内亟待解决的关键科学问题。

中国科学院的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究中，创新性地提出通过调控分子构象增强离域单线态激子(DSE)形成的新策略。研究人员设计合成了两种不对称分子Z12和Z13，通过选择性不对称氟化修饰终端基团，与对称分子Z11形成对比。研究发现Z12能促进更紧密有序的分子堆积，显著增强DSE形成，实现了V_OC
和J_SC
的协同提升。

研究采用了多种先进表征技术：密度泛函理论(DFT)计算分析电子结构和静电势分布；分子动力学(MD)模拟研究分子堆积行为；飞秒瞬态吸收光谱(fs-TA)追踪激子动力学；二维掠入射广角X射线散射(GIWAXS)表征薄膜微观结构；空间电荷限制电流(SCLC)法测量载流子迁移率；电致发光量子效率(EQE_EL
)评估非辐射能量损失。

在"分子相互作用与离域单线态激子态的关系"部分，DFT计算显示不对称氟化显著改变了分子表面静电势分布。Z12的分子极性指数(MPI)为9.71 kcal?mol^-1
，高于Z11的9.52 kcal?mol^-1
，表明更强的分子间静电相互作用。MD模拟进一步揭示Z12的π-π堆积比例更高，终端基团相互作用原子数统计显示其分子间作用最强。

"光伏性能分析"部分显示，基于D18:Z12的器件获得了19.5%的PCE，V_OC
为0.93 V，J_SC
为26.3 mA cm^-2
，填充因子(FF)达79.6%。能量损失分析表明该器件非辐射能量损失(ΔE_nonrad
)仅为0.18 eV，是迄今高效二元OSCs中最低值之一。

"电荷动力学分析"通过光强依赖测试发现D18:Z12器件具有最优的电荷收集效率(98.5%)和最低的双分子复合系数。瞬态光电流(TPC)和瞬态光电压(TPV)测试证实其载流子寿命更长，复合速率更低。fs-TA光谱显示Z12混合膜中空穴转移速率(k_HT
)高达130.65 ns^-1
，效率达93.68%。

"薄膜形貌分析"部分通过原子力显微镜(AFM)和透射电镜(TEM)观察到D18:Z12共混膜具有最适宜的相分离尺寸。GIWAXS显示其π-π堆积距离为3.66 ?，结晶相干长度(CCL)达30.41 ?，有利于电荷传输。电子迁移率(μ_e
)和空穴迁移率(μ_h
)分别为5.49×10^-4
和3.68×10^-4
cm²
V^-1
s^-1
，呈现良好的平衡性。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了不对称氟化策略通过调控分子构象增强DSE形成的机制，突破了传统CT态依赖的激子解离模式。Z12分子设计实现了19.5%的PCE和0.18 eV的低ΔE_nonrad
，为开发高效OSCs提供了新思路。研究还指出，虽然增加氟原子能增强分子间作用，但过量氟导致的局部静电排斥反而会削弱π-π堆积，这为后续分子设计提供了重要参考。该工作将OSCs性能推向新高度，同时为理解激子离域与电荷生成关系提供了理论基础。