二聚受体能够结合小分子受体和聚合物受体各自的优点，不仅具有明确的分子结构和良好的批次重现性，还表现出优异的成膜性和稳定的活性层形貌，因此在实现高效且稳定的有机光伏器件方面具有显著优势。目前，高性能二聚受体的构建主要采用A-DA’DA型（Y系列）小分子受体单元。但是Y系列受体分子特有的香蕉形构象使得相应二聚受体分子的共轭骨架平面性不佳，进而导致其降低的光吸收系数和较高的扩散系数，这不利于器件光伏性能和热稳定性的提升。尽管通过增加受体重复单元来构建多聚受体（如三聚体或四聚体）能够降低材料的扩散系数，但这种方式无疑会增加合成的复杂性和成本。
近日，南京大学郑庆东教授和中国科学院福建物质结构研究所马云龙副研究员团队合作，以前期开发的M系列小分子受体作为构建单元，设计并合成了两个新型二聚受体材料DMT-FH和DMT-HF，其中前者的氟原子位于中间茚酮单元上，而后者的氟原子位于两端的茚酮单元上。
DFT理论计算发现两个二聚受体的分子骨架均展现出较高的平面性，分子骨架上两个小分子构建单元间的二面角仅为10°左右，远小于相应二聚化Y系列受体的二面角（38.74°）。更平面的分子骨架有助于改善分子π-π堆积，这不仅能增强材料的载流子传输性能和光吸收系数，还有助于提升二聚受体的玻璃化转变温度（Tg）。此外，与M系列小分子受体M36相比，二聚受体材料DMT-HF展现出红移的吸收光谱，这有利于增强光伏器件对太阳光的捕获。通过薄膜吸收光谱随温度变化的定量分析我们得到二聚受体材料DMT-FH和DMT-HF的Tg分别为166°C和196°C，由此进一步计算出二者在85°C条件下的扩散系数（D85）分别为3.03×10-22 cm2 s-1和3.36×10-24 cm2 s-1。
当使用聚合物PM6作为给体材料时，基于DMT-FH和DMT-HF的器件分别获得了10.14%和17.17%的PCE。其中，17.17%的效率是目前基于ADA型小分子受体的二聚受体材料的最高值。受益于较高的Tg和相对较低的D85值，基于DMT-HF制备的活性层表现出极为出色的形貌稳定性。在85°C温度下持续加热5000小时后，基于DMT-HF的器件仍能维持超过93%的初始效率，外推计算出该器件的T80寿命可达1.6×104 小时。该工作展示了氟化位置在调节二聚受体材料的分子间相互作用、共混膜形态、扩散系数和光伏特性方面的重要性，同时也证明了M系列二聚受体在实现高效稳定聚合物太阳能电池方面的巨大潜力。
论文信息
Dimerized M-Series Acceptors with Low Diffusion Coefficients for Efficient and Stable Polymer Solar Cells
Yuhang Zhu, Dr. Yunlong Ma, Li Liu, Dongdong Cai, Jin-Yun Wang, Haiting Shi, Prof. Qingdong Zheng
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202411155
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