苏州大学李耀文课题组AM：在半透明有机太阳能电池方面取得新进展

近日，《先进材料》（ Advanced Materials ）以 “Manipulating Molecular Stacking for Semitransparent Organic Photovoltaics Achieving Light Utilization Efficiency >6%” 为题，在线报道了 苏州大学李永舫研究团队 李耀文教授 等人 通过深化主客体活性层策略，首次实现客体分子对给体和受体材料的协同调控，成功制备光利用率（ LUE ）达 6.02% 的半透明有机太阳能电池（ ST-OSCs ），刷新该领域性能纪录，同时该策略展现出优异的柔性器件加工适配性及大面积化潜力，在 ST-OSCs 领域取得重要研究进展 （ Adv. Mater. , DOI: 10.1002/adma.202420439 ）。

ST-OSCs 因其在温室光伏、可穿戴能源和建筑一体化中的广泛应用前景而备受关注。然而， ST-OSCs 的 LUE 提升一直受到平均可见光透过率（ AVT ）和能量转换效率（ PCE ）相互制约的限制。为了突破这一瓶颈，李耀文教授团队深入研究了客体与给体材料分子间相互作用构筑机理，通过调节给体分子堆积从而改善 AVT ，与此同时加强受体结晶以提高 PCE 。研究团队通过引入与给体材料 D18 形成氢键相互作用的客体材料 BTO-BO ，促使 D18 从混合的 J 型和 H 型堆积模式转变为以 J 型为主的堆积模式，显著降低了可见光吸收并增强了空穴传输。同时， BTO-BO 还作为成核剂，提高了受体材料 BTP-eC9 的结晶度和近红外光吸收系数。通过优化活性层的分子堆积和结晶行为，研究团队使用甲苯溶剂制备的 ST-OSCs 在不使用光学修饰的情况下， LUE 达到了 3.84% ，而在沉积了二氧化碲减反层后， LUE 进一步提升至 6.02% ，创下了有机半透明器件的最高 LUE 纪录。同时，这种主客体活性层设计策略在柔性器件和大面积组件上分别取得了 3.42% 和 4.53% 的 LUE ，并具备优异的植物生长因子（ G = 47.84% ），为 ST-OSCs 在温室光伏、建筑一体化等领域的应用提供了新的解决方案。

图 1 ： （ a ）受体、客体、给体材料的化学结构式。（ b ） D18 和 D18:BTO-BO ，（ c ） PTQ10 和 PTQ10:BTO-BO ，（ d ） PM6 和 PM6:BTO-BO 薄膜的归一化吸收光谱。

首先，研究者选取 OEG 侧链位置不同的客体材料 BTO-BO 和 BT-β2O ，和主链结构不同的给体材料 D18 、 PTQ10 和 PM6 为研究对象（图 1a ），利用紫外可见吸收光谱探究客体材料对主体给体材料分子堆积行为的潜在影响。由图 1b 和图 1c 可见，在加入 BTO-BO 后， D18 和 PTQ10 的 0-1 肩峰强度显著下降。 0-0/0-1 振动峰强度比（ I _0-0 / I _0-1 ）增大，说明 J 型堆积增强， H 型堆积比例下降，这有利于可见光（ 380-780 nm ）范围内的透过增加。而 BTO-BO 对于 PM6 的吸收光谱影响较小， I _0-0 / I _0-1 值几乎不变，这说明客体材料选择性的调控给体分子堆积。

图 2 ： 氘代甲苯中（ a ） D18:BTO-BO 、（ b ） PTQ10:BTO-BO 和（ c ） PM6:BTO-BO 共混物的 2D ¹ H- ¹ H NOESY 谱图。虚线圆框突出了客体和给体之间的分子间相互作用信号。（ d ） D18 、 PTQ10 、 PM6 、 BTO-BO 和 BT-β2O 的表面静电势分布和 Hirshfeld 电荷。（ e ） D18:BTO-BO ， PTQ10:BTO-BO 和 PM6:BTO-BO 结构和相应的结合能值。

为了从分子层面深入理解客体材料对给体材料分子堆积的选择性调控机制，团队借助 2D ¹ H- ¹ H NOESY 谱图（图 2a-c ）展开研究。结果发现， BTO-BO 与 D18 和 PTQ10 之间存在显著的分子间作用力，而与 PM6 之间则没有明显作用。通过静电势分布和 Hirshfeld 原子电荷分析（图 2d ）可知， D18 和 PTQ10 相较于 PM6 在 A 单元质子上带有更多正电荷， BTO-BO 相较于 BT-β2O 在 OEG 链的氧原子上带有更多负电荷，这种电荷分布有利于分子间氢键的形成。此外，理论计算结果（图 2e ）也表明， BTO-BO 更倾向于与 D18 和 PTQ10 形成分子间氢键，其更强的分子间结合能进一步证实了这一观点。

图 3 ： （ a ） D18 和 D18:BTO-BO 甲苯溶液的冷冻 TEM 图像。（ b ） D18 和 D18:BTO-BO 在甲苯溶液中的紫外 - 可见吸收光谱。（ c ）