研究背景
有機太陽能電池（OSCs）是一種基于有機半導體材料的光伏器件，因其重量輕、柔性可調、可通過卷對卷工藝制備大面積器件等特點，被廣泛應用于物聯網、光伏建筑一體化、便攜式能源等領域。與傳統的硅基太陽能電池相比，OSCs具有可溶液加工、低成本和優異的機械柔性等優點。然而，當前OSCs的能量損失較高，尤其是非富勒烯受體（NFA）的結晶性與熒光量子產率（PLQY）往往難以兼顧，導致電荷傳輸受限及非輻射復合損失增加，從而限制了器件的光電轉換效率。這一問題成為有機光伏領域亟待解決的關鍵科學挑戰。為了解決這一問題，北京航空航天大學孫艷明教授課題組、宋佳利以及香港科技大學顏河教授課題組合作在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Non-fullerene acceptors with high crystallinity and photoluminescence quantum yield enable >20% efficiency organic solar cells”的最新論文。他們通過在L8-BO受體的噻吩單元上不對稱地調整烷基鏈分支位置，成功設計并制備了兼具高結晶性和高PLQY的非富勒烯受體L8-BO-C4。研究表明，該受體在一側引入2-丁基辛基（2-butyloctyl），另一側引入4-丁基癸基（4-butyldecyl），優化了分子堆積，提高了載流子傳輸能力，同時降低了非輻射復合損失。基于該材料的單結OSCs實現了20.42%的高光電轉換效率（認證值為20.1%），并獲得了0.894 V的開路電壓（Voc）和81.6%的填充因子（FF）。該研究揭示了烷基鏈分支位置調控策略在優化NFA性能方面的重要性，為開發高效、低能量損失的有機光伏器件提供了新的思路。
研究亮點
（1）本研究首次通過在L8-BO受體的噻吩單元上不對稱地調整烷基鏈的分支位置，實現了對非富勒烯受體（NFA）結晶性和熒光量子產率（PLQY）的精準調控，得到了兼具高結晶性和高PLQY的L8-BO-C4材料。
通過在L8-BO受體的一側引入2-丁基辛基（2-butyloctyl），另一側引入4-丁基癸基（4-butyldecyl），成功調控了分子堆積和激子動力學，使材料同時具備高結晶性和高PLQY。
由于高結晶性有助于提升載流子遷移率，提高短路電流密度（Jsc）和填充因子（FF），而高PLQY有助于降低非輻射復合損失，提高開路電壓（Voc），該受體材料在單結有機太陽能電池（OSC）中展現出優異的光伏性能。
- 具體而言，基于L8-BO-C4的OSC器件實現了20.42%的高光電轉換效率（經認證為20.1%），并獲得了0.894 V的開路電壓和81.6%的填充因子。
圖文解讀
圖1. L8-BO-Cn+1化學結構、物理化學性質、器件性能以及PLQY比較圖。圖3. 受體材料的單晶分析和GIWAXS測試表征。
結論展望
本研究提出的不對稱烷基鏈分支位置調控策略，為高性能非富勒烯受體（NFA）的設計提供了新的思路。傳統上，提高NFA的結晶性往往會降低其熒光量子產率（PLQY），導致非輻射復合損失增加，從而限制有機太陽能電池（OSC）的效率。本研究通過精確調整L8-BO受體的烷基鏈分支位置，成功實現了高結晶性和高PLQY的兼顧，突破了二者之間的權衡關系。這一策略不僅提升了載流子傳輸能力，優化了電荷提取效率，同時有效抑制了陷阱輔助復合，提高了光電轉換效率。進一步的研究表明，該方法可推廣至其他A–DA′D–A型非富勒烯受體，為未來NFA的分子工程設計提供了新的指導原則。 Li, C., Song, J., Lai, H. et al. Non-fullerene acceptors with high crystallinity and photoluminescence quantum yield enable >20% efficiency organic solar cells. Nat. Mater. (2025).https://doi.org/10.1038/s41563-024-02087-5
