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近年来，尽管有机太阳能电池的效率不断提升，但如何进一步提高其效率并降低能量损失仍然是一个亟待解决的挑战。非富勒烯受体（NFA）作为一种新型的有机受体材料，相比传统的富勒烯受体，具有更高的光电转换效率和较低的能量损失。特别是提高NFA的结晶度和光致荧光量子产率（PLQY）对提升OSC的效率至关重要。然而，提高结晶度往往会导致PLQY降低，从而增加非辐射能量损失。因此，如何平衡结晶度与PLQY，避免能量损失，成为有机太阳能电池领域中的关键难题。基于此，北京航空航天大学孙艳明教授、香港科技大学颜河教授等人合作提出了不对称调整烷基链分支位置的策略，实现了非富勒烯受体材料的高结晶度与高PLQY的兼容性，最终使得OSC器件效率突破20%。该研究以"Non-fullerene acceptors with high crystallinity and photoluminescence quantum yield enable >20% efficiency organic solar cells"为题，发表在《Nature Materials》期刊上。李超博士后和宋佳利博士后为论文共同第一作者。孙艳明，北京航空航天大学化学与环境学院，教授，博士生导师。2002年毕业于山东大学化学学院，获理学学士；2007年获得中国科学院化学研究所有机固体实验室博士学位（直博），导师：刘云圻研究员，朱道本院士；2007年10月－2008年12月，英国曼彻斯特大学，研究助理，合作导师：宋爱民教授；2009年1月-2013年8月，美国加州大学圣塔巴巴拉分校，助理科学家，合作导师：Alan J. Heeger 教授 (2000年诺贝尔化学奖获得者)；影响因子大于10.0的30篇，其中以第一作者或通讯作者身份在Nature Materials，Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc.，Nano Letters，Adv. Funct. Mater.，Adv. Energy Mater.发表文章。相关工作被Nature, Science, Nature Mater.,Nature Photonics, Nature Chem., Nature Commun., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem.Res.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.等他引。1、通过调控L8-BO受体上烷基链的分支位置，优化分子间π–π堆积，提高分子结晶度，同时保持较高的PLQY，从而减少非辐射复合损失。2、采用PM6：L8-BO-C4二元体系的OSC器件实现了19.78%的效率，而进一步优化为PM6：L8-BO-C4：L8-BO-C4-Br三元体系后，认证效率达到20.42%（认证值20.1%），为有机太阳能电池领域的重大突破。3、通过降低非辐射复合损失，优化载流子输运与提取效率，使得器件不仅具备高效率，同时在光照稳定性方面表现优异，T80寿命超过600小时。图1 L8-BO基NFAs的分子结构、光物理和光伏性能图1展示了L8-BO及其衍生非富勒烯受体（NFAs）的化学结构、光吸收特性、能级排列、器件性能以及外部量子效率（EQE）等核心光电参数。在分子结构方面，该研究设计了一系列L8-BO衍生物L8-BO-Cn+1（n=0-4），并通过不对称调控烷基链的分支位置来优化材料的结晶度和光致发光量子产率（PLQY）。光吸收光谱显示，各种L8-BO衍生物在薄膜状态下的吸收曲线相似，但其能级排布略有不同，表明支链修饰对分子轨道能级的微调作用。电流-电压（J-V）曲线展示了器件在不同受体材料下的光伏性能，其中以L8-BO-C4为活性层的OSC表现出最佳的光电转换效率（PCE）达19.78%，而通过三元策略进一步优化的PM6:L8-BO-C4:L8-BO-C4-Br器件PCE突破20.42%（认证值20.1%）。此外，EQE曲线表明优化后的器件在400-900 nm波段均表现出更高的光电转换能力，而PLQY数据显示L8-BO-C4受体具有更高的PLQY，有助于降低非辐射复合损失，提升器件开路电压。图2主要展示了L8-BO及其衍生受体的分子堆积模式和微观形态，并通过分子动力学模拟揭示了不同分子结构如何影响材料的电子传输性能。图2a-d显示了L8-BO-C1、L8-BO、L8-BO-C4和L8-BO-C4C4的分子结构，并从分子尺度分析了烷基链分支位置对分子间π-π堆积的影响。从拓扑结构来看，随着烷基链分支位置的距离增大，π-π堆积距离逐渐缩短，从而增强了分子间的相互作用。图2e-h展示了这些受体分子在薄膜中的导电网络，发现L8-BO-C4的导电网络最丰富，这表明其电子传输能力最优。图2i进一步分析了不同受体的堆积模式，发现L8-BO-C4和L8-BO-C4C4的S-型和Y-型堆积比例更高，有助于形成高效的电荷输运通道。最后，图2j-l分别展示了不同受体材料在供体-受体（D-A）、受体-受体（A-A）及供体-供体（D-D）之间的堆积情况，发现L8-BO-C4在D-D和A-A堆积模式下具有更高的有序度，从而提供更优的电子传输特性。图3展示了单晶结构与NFA薄膜的分子堆积特性。通过单晶X射线衍射（XRD）、二维广角X射线散射（GIWAXS）以及分子模拟，深入研究了不同NFA在固态中的分子堆积方式及其对器件性能的影响。图3a展示了L8-BO-C1、L8-BO、L8-BO-C3和L8-BO-C4的单晶结构，发现L8-BO-C4的三维分子网络最为紧密，这有助于形成更高效的电荷传输路径。图3b进一步分析了这些单晶结构的分子间π-π堆积距离，发现L8-BO-C4的π-π堆积最紧密（~3.34 Å），有助于提升电子迁移率。图3c-d展示了L8-BO衍生物在薄膜状态下的GIWAXS衍射图谱和面内（IP）及面外（OOP）线切分析，发现L8-BO-C4在GIWAXS中表现出最强的结晶信号，其π-π堆积峰位于1.7 Å⁻¹，对应的结晶相干长度（CCL）最大，表明该材料在薄膜中的分子有序度最高。结合单晶结构和GIWAXS数据，研究团队进一步确认了L8-BO-C4的高结晶度来源于其优化的烷基链排布方式，从而提升了器件的载流子输运性能。图4展示了共混膜形貌表征及载流子输运特性。图4a-b通过光诱导力显微镜（PiFM）分别表征了供体材料PM6（1650 cm⁻¹）和受体材料L8-BO衍生物（1280 cm⁻¹）在共混膜中的分布情况。结果显示，L8-BO-C4基共混膜形成了最优的互穿网络结构，供体-受体之间的相互作用最为均匀，有助于提高电荷分离效率。图4c展示了所有共混成分的PiFM叠加图，进一步证明L8-BO-C4形成的双纤维网络结构能够有效促进电荷传输。图4d-g通过GIWAXS表征共混膜的分子排列情况，并结合结晶相干长度（CCL）分析发现，L8-BO-C4共混膜的结晶度最高，π-π堆积最紧密，表明其具有最优的分子有序度。图4g进一步展示了不同共混膜的电子和空穴迁移率（μe和μh），结果表明L8-BO-C4共混膜的载流子迁移率显著高于其他受体材料，能够更有效地减少器件中的电荷复合损失。本研究提出了一种新颖的非富勒烯受体设计策略—不对称调整烷基链分支位置，成功实现了高结晶度与高PLQY的结合，并在单结有机太阳能电池中创造了超过20%的光电转换效率。这一研究不仅提供了新的分子设计思路，也为未来高效OSC材料的开发提供了重要的理论支持和实验依据。此外，该策略也可适用于其他A–DA′D–A型受体的优化，推动更高效有机光伏器件的实现。然而，未来仍需进一步探索如何在保持高结晶度的同时优化分子能级匹配，并降低器件的电荷复合，以进一步提升OSC的能量转换效率。此外，未来的研究还可以聚焦于NFA材料的大规模制备工艺优化，以推动其商业化应用。Non-fullerene acceptors with high crystallinity and photoluminescence quantum yield enable >20% efficiency organic solar cells. Nature Materials, https://www.nature.com/articles/s41563-024-02087-5.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏
