有機太陽能電池因具有輕質、柔性、半透明等特性，在可穿戴電子、光伏建筑及農業等領域具有應用前景。近年來，非富勒烯受體快速發展推動了有機太陽能電池性能提升。對受體分子而言，其光電惰性的側鏈對調控共軛骨架自組裝及相分離具有重要作用。但是，常規烷基側鏈和芳基側鏈難以有效平衡材料的結晶性和組分間兼容性，導致相分離不理想。
此前，中國科學院青島生物能源與過程研究所科研人員在“側鏈外圍功能化”設計理念基礎上，在共軛骨架上的柔性鏈段外圍引入功能基團，協同電子效應和位阻效應，解決了結晶性與兼容性不平衡的矛盾。這一設計策略兼具普適性和多功能性。該團隊主要采用苯基作為外圍功能基團調控有機共軛分子的聚集態。苯基作為整體呈現弱電負性的共軛基團，更多發揮未阻作用，調節分子自組裝，并作為共軛平面參與分子間π-π作用構建及空間超共軛效應。
為明確描述分子外圍強電子效應的功能特性，該研究引入具有強電負性的苯并三氮唑（BTz）進行外圍功能調控，并基于一鍋法得到兩類苯并三氮唑異構體。研究證實了外圍基團對分子堆積、給受體相互作用及共混形貌的多重影響，并揭示了外圍缺電子基團通過分子內相互作用誘導主骨架電子云分布重排，進而調控異質結能量景貌及非輻射能量損失的作用機制。研究發現，由于非輻射能量損失的差異，兩類外懸異構化的受體分子YBTz-1和YBTz-2表現出明顯不同的光伏性能，分別達14.7%和19.1%。同時，YBTz-2受體的低非輻射能損特性使其在多組分器件中具有良好應用。研究表明，將YBTz-2進行摻雜后，YBTz-2可在保持開路電壓基本不變的前提下，改善三組分異質結的納米形貌，并提高器件短路電流密度和填充因子，實現19.9%的高轉換效率。
進一步，研究揭示，外圍功能基團介導的受體結晶動力學和活性層相分離動力學同時優化，可降低YBTz-2器件活性層的缺陷態密度和亞穩態分布，并提高光伏電池的長期穩定性，光伏器件在連續加熱工況下T80%超過2000小時。
該研究拓展了外圍基團的功能特性，并為解決有機光伏的效率瓶頸-非輻射能量損失過高提供參考。
近期，相關研究成果發表在《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院等的支持。
論文鏈接
分子外圍強電子效應功能基團異構化研究
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