低能量无序分子：打破有机太阳能电池电压与电流权衡的新范式

《The Innovation》：Low energetic disorder molecules: A new paradigm for breaking the trade-off of voltage and current in organic solar cells

　　

正文

得益于非富勒烯受体（NFAs）的持续进步，有机太阳能电池（OSCs）的功率转换效率（PCE）已快速接近并突破20%。然而，进一步突破仍受到短路电流密度（J_SC）与开路电压（V_OC）之间固有权衡的制约，这在窄带隙体系中尤为突出。尽管缩小带隙可有效拓宽光子吸收范围，但窄带隙体系中电荷转移态能量的降低及相关电压损失往往限制了可实现V_OC的提升。研究人员在通过分子工程、优化给体-受体组合及共混物形貌来抑制OSCs中的能量损失方面投入了大量努力。这些方法已成功降低了能量无序度和非辐射电压损失，但同时实现窄带隙、低能量无序和高效近红外光子吸收仍是一项重大挑战。

为解决这一挑战，Tao等人报道了一种引人注目的策略：设计了一种基于邻苯二氮卓的受体Qx-Se-NF，该受体兼具窄带隙（E_g ≈ 1.31 eV）和极低能量无序度（图1A）。通过将刚性萘基端基与硒取代核心相结合，作者证明，降低电子-振动耦合和能量无序可有效抑制非辐射复合，从而在不牺牲电流的情况下减轻电压损失。该工作确立了能量无序作为决定OSCs效率极限的关键描述参数。

图1 通过能量无序工程突破效率极限

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(A) Qx-Se-NF的分子设计。

(B) 能量无序的降低。

(C) 有机太阳能电池中非辐射损失的抑制以及本征V_OC-J_SC权衡的缓解。

(D) 创纪录PCE的进展。

经许可转载。版权所有2026年，Springer Nature。

与无机半导体不同，OSCs固有的能量无序源于分子构象的多样性及分子间堆积的涨落。这种无序导致带尾效应增强和非辐射复合加剧，是总能量损失的主要来源。该工作揭示了Qx-Se-NF基共混物表现出最低的Urbach能量（E_u ≈ 22.75 meV），表明相较于Y6及其相关衍生物，其能量无序度更低。总无序度（σ_T）可分解为静态无序度（σ_S）和动态无序度（σ_D）（图1B），二者分别对应结构异质性和电子-振动耦合及重组能（λ）。作者证明，Qx-Se-NF的σ_S和σ_D均达到最低值，这主要归因于萘基端基带来的分子刚性增强、通过抑制C-C伸缩模式减少振动贡献，以及改善的平面性和分子间堆积。这种双重抑制导致非辐射能量损失（ΔE_nr）的显著降低，证实了能量无序是连接分子结构与器件物理的统一参数。

该工作的核心亮点在于成功解耦了V_OC-J_SC权衡关系（图1C）。传统上，降低带隙虽可提升J_SC，但因非辐射复合加剧也会导致V_OC损失。然而，通过将窄带隙受体的能量无序降至最低，Qx-Se-NF在LUMO能级降低的情况下，仍实现了28.8 mA cm^?2的高J_SC，同时保持了高V_OC和仅0.486 eV的低总能量损失。这些特征使得认证PCE突破21%（图1D）。这表明能量无序工程提供了一种超越传统能级匹配或形貌优化的正交设计维度。

除分子设计外，研究还发现了一种在D18:L8-BO:Qx-Se-NF基三元体系中的有趣垂直分层合金状形貌。这种形貌的形成归因于Qx-Se-NF的强聚集特性。结果，主体受体L8-BO在给体-受体界面附近富集，而Qx-Se-NF在该结构中形成梯度分布。这种排列有利于在保持V_OC的同时提升J_SC，从而实现对器件性能的同时改善。该概念超越了传统的级联或能量中继模型，表明组成梯度受体相可能代表一种高效OSCs的新设计范式。此外，该工作展示了使用无卤溶剂的优异可加工性以及可规模化涂覆技术，1 cm²器件的PCE为17.7%，36 cm²组件的PCE为17.1%。这突显了低无序受体在大规模制造中的实际意义，解决了将实验室规模效率转化为实际应用的关键限制。

总之，该工作提供了令人信服的证据，表明能量无序是限制OSCs效率的根本瓶颈，并建立了一套明确克服这一限制的策略。通过证明合理的分子工程可同时实现高J_SC和高V_OC，该工作表明，低带隙材料中J_SC与V_OC之间长期存在的权衡关系并非本征性的，而是可以通过降低能量无序来缓解。更根本地说，该工作强调了有机光伏器件中的能量损失与分子层面能量无序程度密切相关，将微观的电子-振动耦合和结构异质性与宏观器件性能联系起来。因此，开发具有低能量无序和强聚集特性的窄带隙受体，成为同时抑制非辐射损失并增强光电流生成的有前景的途径，从而为下一代材料提供了连贯的分子设计框架。在器件层面，三元体系中识别出的垂直分层合金状形貌也为优化性能提供了有效策略。通过实现梯度相分布，既保持界面能学特性又促进体相电荷传输，这种结构允许在不损害V_OC的情况下同时提升J_SC和填充因子。综上所述，该工作突出了本征电子无序控制和分子与形貌协同设计的重要性。这些见解为将OSCs效率推进至21%以上并加速其向可规模化高性能应用的转化开辟了新的途径。

OSCs效率从富勒烯基体系到NFAs再到新兴低无序窄带隙材料的持续演进（图1D），突显了同时扩展光子吸收范围和最小化能量无序对进一步提升光伏性能的重要性。克服这一挑战需要分子策略，通过增强分子刚性、优化分子间堆积和降低电子-振动耦合来同时最小化静态和动态能量无序。提高分子刚性和改善分子平面性有望降低σ_S，而最小化分子重组能则可削弱电子-振动耦合并抑制σ_D。同时，调控有序的分子间堆积和有利聚集特性可在保持低能量无序的同时促进电荷传输。此外，形貌工程与分子结构密切相关，开发具有强聚集特性的有机分子为垂直梯度相分离提供了有前景的途径。这些分子和器件设计原则共同提供了突破OSCs效率限制并加速其向下一代光伏应用转化的有前景路线图。

资助与致谢

本工作受国家自然科学基金（22475232和22579185）和江苏省科学技术厅（项目编号BK20241823）资助。

利益声明

作者声明无利益冲突。