北航孙艳明/港科大颜河等Nature Materials：高结晶和高荧光量子产率的受体助力有机太阳能电池效率超过20%

2025年1月29日，《Nature Materials》杂志在线发表了北京航空航天大学化学学院孙艳明教授课题组与香港科技大学颜河教授课题组在有机太阳能电池领域的最新研究成果"Non-fullerene acceptors with high crystallinity and photoluminescence quantum yield enable >20% efficiency organic solar cells"。李超博士后和宋佳利博士后为论文第一作者，宋佳利博士后、颜河教授和孙艳明教授为论文通讯作者，北京航空航天大学化学学院为第一完成单位。

有机太阳能电池（OSCs）凭借其质轻、柔性、可通过卷对卷工艺制备大面积器件等优点，以及在物联网、光伏建筑一体化、便携式能源等领域具有的重要应用前景，引起了国内外的广泛关注，并在过去十年取得了显著的进展。为了进一步提升有机太阳能电池效率，亟需开发具有高结晶和高荧光量子产率（PLQY）的非富勒烯受体材料。一方面，高结晶的非富勒烯受体有助于促进高效载流子传输，提升短路电流密度（Jsc）和填充因子(FF)。另一方面，高PLQY的非富勒烯受体有助于降低非辐射复合损失（引自Nat. Energy, 2021, 6, 799），从而利于降低电压损失并提高开路电压（Voc）。然而，提高非富勒烯受体的结晶性往往会导致激子淬灭，这通常会降低其PLQY。因此，如何设计兼具高结晶和高PLQY的非富勒烯受体材料，成为该领域的一个关键科学问题。

图1. L8-BO-C_n+1化学结构、物理化学性质、器件性能以及PLQY比较图。

针对这一关键科学问题, 孙艳明教授课题组基于前期在不对称受体和支化侧链受体方面的研究积累，以课题组开发的支化侧链受体L8-BO（Nat. Energy, 2021, 6, 605, 被引1707次）为结构修饰对象，通过结合不对称分子设计策略和支化烷基链策略，提出了一种不对称支化位点调控的新策略。研究发现，该策略在保持受体材料高结晶性的同时还能有效调控PLQY，成功开发出了兼具高结晶性和高PLQY的受体材料L8-BO-C₄，有效提升了电荷传输性能并抑制了非辐射复合损失，使得单结有机太阳能电池效率高达20.42%（NIM认证效率20.1%）。该研究打破了长期以来材料高结晶性和高PLQY之间难以兼顾的困境，为进一步设计与合成高性能非富勒烯受体提供了新的思路。

图2. 受体材料的理论计算和分子动力学模拟。

研究团队通过不对称地单边调整L8-BO受体噻吩单元上烷基链的分支位置，设计合成了一系列L8-BO-C_n+1受体分子（n=0-4, 其中n+1指远离中间核的分支位点）（图1）。研究发现，随着支化位点远离中间核，烷基链分支与主链之间的位阻降低，受体分子的结晶性和载流子迁移率依次提高（图2和图3）。然而，与结晶性逐步提高的规律不同，随着支化位点远离中间核，这些受体在纯膜中的PLQY值呈现出先升后降的趋势。进一步的研究表明，L8-BO-C₄能很好地平衡烷基分支位点和侧链长度，实现了最低的静态能量无序度，因此在这些受体中L8-BO-C₄获得了最高的PLQY值，此外，理论计算表明，L8-BO-C₄在四种受体分子的单晶中J-聚集体的比例最高，使得其PLQY值最高。

图3. 受体材料的单晶分析和GIWAXS测试表征。

能量损失分析表明，与L8-BO器件相比，得益于L8-BO-C₄纯膜较高的PLQY值，L8-BO-C₄器件的电致发光外量子效率（EQE_EL）较高、非辐射复合损失较低，因而电压损失也相应较低。研究团队对受体薄膜的EQE_EL光谱进行了测试以直接探测其非辐射路径，结果显示与PLQY测量结果几乎相同。此外，当与PM6共混后，这些受体的分子结晶和聚集没有明显差异，表明受体与PM6共混后，并没有发生明显发光相关的聚集变化。以上结果表明，通过研究受体材料的PLQY来关联器件非辐射复合损失具有可行性。然而，由于L8-BO-C₅和L8-BO-C₄C₄纯膜较低的PLQY值，使得相应器件的非辐射复合损失较高，电压损失较大，导致器件Voc较低。形貌分析、稳态和时间分辨测试表明，与L8-BO共混膜相比，L8-BO-C₄共混膜展现出了增强的结晶性和更优的双纤维网络形貌，同时实现了更高的载流子生成、更低的电荷复合和更高且平衡的电荷传输（图4）。最终，与基于PM6:L8-BO的器件（效率18.91%）相比，基于PM6:L8-BO-C₄的器件在Voc, Jsc 和 FF等性能参数上均有所提升，使得二元电池效率达到19.78%。通过引入L8-BO-C₄-Br作为第三组分，效率可进一步提升至20.42%，并得到了中国计量科学研究院（NIM）的认证，认证效率为20.1%。而且，在厚膜（300 nm）、大面积（1 cm²）和模组（16.8 cm²）器件中，效率仍可分别高达18.51%、18.63%和16.50%，显示出大规模工业化应用的巨大潜力。

图4. 共混膜的形貌分析以及迁移率比较图。

此外，不对称支化位点调控策略还成功应用于其他具有香蕉型结构的非富勒烯受体分子。与2-丁基辛基取代的对称受体分子（Qx-BO）相比，对应不对称受体（Qx-BO-C₄）的结晶性和PLQY也得到了提高，相应器件的效率也有所提升，展示了该策略在开发兼具高结晶和高PLQY的非富勒烯受体方面的普适性。

该研究工作得到了香港科技大学颜河教授，南方科技大学何凤教授、赖寒健博士，香港理工大学张晨助理教授、周荣锟博士，上海交通大学徐锦秋博士，瑞典林雪平大学高峰教授、张或天博士，苏州大学陈先凯教授，韩国高丽大学Han Young Woo教授，东华大学唐正研究员，香港中文大学（深圳）颜骏助理教授，大湾区大学刘莎研究员、北京工业大学郑子龙教授等人的大力支持与帮助。该研究工作也得到了国家重点研发计划（No. 2022YFB4200400）、国家自然科学基金（No. 52333005, 51825301）、北京市自然科学基金（Z230018）等项目的资助。

论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41563-024-02087-5

作者简历

李超, 2017年6月硕士毕业于湘潭大学（导师：陈华杰教授）。2020年6月博士毕业于北京航空航天大学（导师：孙艳明教授）。2020年11月至今在香港科技大学从事博士后研究（合作导师：颜河教授）。李超博士长期从事不对称&支化侧链受体的设计、合成及光伏性能研究工作，基于不对称分子设计策略和支化烷基链策略，先后设计合成了一系列不对称引达省并二噻吩受体材料和支化侧链Y-系列受体材料（如高性能小分子受体L8-BO、L8-BO-X、L8-BO-C₄、Qx-BO-C₄以及聚合物受体PY-DT-X），截至目前，以第一/通讯作者（含共同）身份在Nat. Mater., Nat. Energy, Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Matter等期刊上发表论文20篇，被引总计5838次，其中以第一作者身份发表在Nature Energy期刊上的研究工作 (Nat. Energy, 2021, 6, 605) 引用次数达1707次，并入选了2021年中国百篇最具影响国际学术论文。

宋佳利，2016年6月本科毕业于中国矿业大学（北京）。2023年6月博士毕业于北京航空航天大学化学学院（导师：孙艳明教授）。现于北京航空航天大学从事博士后研究工作（合作导师：孙艳明教授、杜轶教授）。宋佳利博士的研究工作主要集中于有机光电功能材料的设计与合成、活性层微观形貌调控以及有机太阳能电池器件工艺的优化。截至目前，以第一/通讯作者（含共同）身份在Nat. Mater., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci.，Matter等期刊上发表学术论文15篇。

颜河，香港科技大学讲席教授，2000年本科毕业于北京大学化学系, 2004年在美国西北大学获得博士学位，师从美国总统奖获得者Tobin Marks教授。2006-2011年带领Polyera公司的研究小组研发柔性显示器和太阳能电池材料。2012年至今就职于香港科技大学化学系，并于2023年成为香港科技大学讲席教授。颜河教授在有机及钙钛矿太阳能电池领域做出了杰出的贡献，发表论文370余篇，被引用超48000次，H因子105，并于2020年获得了腾讯“科学探索奖”，同年担任香港的RGC研究员，并连续6年获得“高被引科学家”的称号，研究成果在2015年被美国国家可再生能源实验室收录至著名的“best research-cell efficiency chart”世界纪录表。2018年创立了深圳易柔光伏有限公司, 提出了有机光伏产业化新路线，并带领公司多次获得创业大赛奖项。

孙艳明，北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师。2002年本科毕业于山东大学化学学院，2007年在中国科学院化学研究所物理化学专业获博士学位，之后分别在英国曼彻斯特大学和美国加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究，2013年9月全职回北京航空航天大学工作。长期从事有机光电功能材料与器件的研究工作，提出了纤维网络调控有机太阳能电池活性层相分离的新策略。在Nat. Mater., Nat. Energy, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等杂志上发表SCI 论文190余篇, 论文被Nature，Science等杂志他引29000余次，多篇论文引用超过1000次。2018年度获批国家杰出青年科学基金, 2019-2024年连续入选科睿唯安全球高被引科学家。