三维共轭非平面联苯侧链诱导负静电势：高效有机太阳能电池中降低非辐射能量损失的关键机制

这篇研究通过设计新型非富勒烯受体（NFA）BPY，创新性地引入三维共轭联苯侧链，显著提升了分子偶极矩（5.69 Debye）并优化了表面静电势（ESP）分布。BPY与PM6给体共混后，器件开路电压（VOC）提升至0.883 V，非辐射能量损失（ΔE3）降至0.201 eV，最终实现18.06%的功率转换效率（PCE）。三元体系PM6:BTP-eC9:BPY更创下19.23%的PCE纪录，为有机太阳能电池（OSC）的分子工程提供了新思路。

　　

1 引言

有机太阳能电池（OSC）因其轻质、柔性和溶液加工性成为下一代能源技术的重要候选。Y系列非富勒烯受体（NFA）通过A-DA'D-A结构将单结OSC效率推至19%以上，但如何降低非辐射能量损失（E_loss）仍是关键挑战。传统策略如不对称分子设计虽有效却合成复杂，而大位阻侧链对偶极矩调控有限。本研究提出通过三维联苯侧链协同优化分子间相互作用与电子结构，为高效OSC提供新路径。

2 结果与讨论

2.1 材料合成与表征

BPY以联苯侧链修饰的Y6为母体，通过Stille偶联等反应合成（图1a）。其热稳定性优于Y6，分解温度达346.2°C。紫外-可见吸收光谱显示，BPY在薄膜中λ_max为812 nm，较Y6蓝移17 nm，但振动肩峰更明显，表明联苯侧链增强了共轭效应（图1d）。溶剂化变色实验证实BPY激发态极性更高（位移466.98 cm^-1），暗示其偶极矩提升。

2.2 电化学与光学特性

循环伏安测试显示BPY的LUMO能级（-3.90 eV）高于Y6，有利于提升V_OC（表1）。密度泛函理论计算揭示其偶极矩达5.69 D，是Y6的5倍（图2a）。静电势分析发现联苯侧链的孤立负电荷使BPY整体ESP_avg降至3.06 kcal mol^-1，与给体PM6的兼容性更优（表2）。

2.3 光伏性能与电荷动力学

PM6:BPY器件实现18.06%的PCE，V_OC提升至0.883 V（图3a）。瞬态光电压测试显示其载流子寿命（20.1 μs）显著长于Y6体系（13.4 μs），非辐射损失ΔE₃降低15.5%（图3f）。三元器件中，BPY的引入使PCE突破19.23%，归因于优化的纤维状形貌（AFM图5a）和松散π-π堆叠（d间距29.15 ?）。

2.4 薄膜形态与微观结构

GIXD分析表明BPY薄膜呈现面朝上取向，但π-π堆叠相干长度（17.75 ?）较Y6（29.39 ?）更短（图5c）。这种松散堆叠抑制了非辐射复合。原位紫外监测显示BPY成膜速度更快（0.2 s），同步结晶行为避免了相分离（图6b）。

3 结论

三维联苯侧链通过增强偶极矩、调控ESP分布及优化形貌，为降低OSC非辐射损失提供了普适性策略。BPY在二元和三元体系中的卓越表现，证实了该分子设计在高性能光电器件中的广阔前景。