有機太陽能電池（OSCs）作為一種前沿的光電轉換技術，因其在通過低成本溶液涂覆工藝制造大面積、柔性組件方面表現出的卓越優勢而備受關注。隨著活性層材料和器件工程的迅速發展，單結有機太陽能電池的最佳認證光電轉換效率（PCE）已超過 21.0%，顯示出出色的工業化前景。OSCs通常采用體異質結來克服由于有機材料低介電常數而導致的激子無法自發解離的問題。到目前為止，在非富勒烯受體（NFAs，特別是 Y 系列分子）中觀察到的顯著的四極矩和半晶態分子排列已被證明能夠促進高效的激子解離過程。

近日，來自嘉興大學、香港理工大學、香港浸會大學和深圳大學等多家單位的研究團隊，提出了一種全新的分子設計策略：通過引入氯原子的位置異構化來增大分子的四極矩，同時不改變其自身能級。這種靜電勢重新分配在給受體能極差減少的情況下促進了激子的高效解離。因此，優化后的二元器件實現了19.0% 的高效率。此策略進一步實現了 20.3% 的高三元器件效率，同時具有出色的厚度容忍度（410 納米）和大面積制備潛力，最高效率超過 16.5%。這項工作將位置異構化確立為一種通用的靜電勢調控手段，為克服有機太陽能電池中的激子解離限制提供了一種全新的分子設計途徑。

相關研究成果以“Chlorine Positional Isomerization Enables Quadrupole Moment Engineering with Low Voltage Loss for High-Efficiency Organic Solar Cells”為題發表于材料領域頂級期刊Advanced Functional Materials。論文第一作者為香港理工大學鄒博森博士，共同通訊作者為嘉興大學姚嘉博士、香港浸會大學張卓瓊博士，深圳大學羅正輝教授，香港理工大學吳韜教授及嘉興大學周二軍教授。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.75901

圖 1.（a）本研究中提出的端基上的氯原子位置異構以及 BTP-2Cl-ClO 和 BTP-Cl-2ClO 的化學結構；（b）不同 NFAs 之間的四極矩值比較；（c）這兩種受體的靜電勢分布；（d）對應單個原子的平均靜電勢值。

圖 2.（a）在氯仿溶液及薄膜狀態下，BTP-2Cl-ClO、BTP-Cl-2ClO 和 L8-BO 的歸一化吸收光譜；（b）最佳 J?V 曲線以及（c）相應的 EQE 光譜（包含積分電流曲線）；（d）在 750 納米處激發的混合薄膜的 TR-PL 衰減光譜；（e）OSCs 的 TPC 結果和（f）TPV 結果。

圖 3. （a）PM6:BTP-2Cl-ClO 的TA光譜；（b）PM6:BTP-Cl-2ClO 的TA光譜；（c）PM6:L8-BO 的TA光譜；（d）PM6:L8-BO:BTP-Cl-2ClO 的TA光譜；各組為TA光譜的色圖（e）在 630 納米處探測的歸一化 TA 動力學（PIA）；（f）在 810 納米處探測的歸一化 TA 動力學（GSB）。

圖 4.（a）PDS 設備的示意圖。（b-e）混合薄膜的 PDS 光譜：PM6:BTP-2Cl-ClO（b）、PM6:BTP-Cl-2ClO（c）、PM6:L8-BO（d）以及 PM6:L8-BO:BTP-Cl-2ClO（e）。曲線下方的彩色區域突出顯示了混合薄膜中的陷阱態。（f）不同混合物的擬合烏爾巴赫能和歸一化陷阱密度的比較。

圖 5. 對 PM6:BTP-Cl-2ClO、PM6:BTP-2Cl-ClO、PM6:L8-BO 以及 PM6:L8-BO:BTP-Cl-2ClO 共混薄膜在 1455 cm?1 處進行 PiFM 成像以篩選 PM6（紅色（a）），在 1532/1021/1423 cm?1 處進行成像以篩選 NFA（綠色（b）），所有組分的組合 PiFM 圖像（c）；二維廣角 X 射線散射（2D-GIWAXS）圖樣（d）；OOP π–π 堆疊峰的共混薄膜的 D 間距（柱狀圖）和 CCL（實線）值的比較（e）。

圖 6.（a）不同膜厚器件的 J-V 曲線，（b）相關器件的 EQE 光譜和積分 JSC 曲線，（c）PM6:L8-BO 和 PM6:L8-BO:BTP-Cl-2ClO 基器件在不同膜厚下的 PCE 變化，（d）大面積模塊的器件結構圖，（e）大面積模塊的代表性 I-V（左Y軸）和 P-V（右Y軸）曲線（插圖是本研究中制備的模組照片）

總之，我們證明了氯原子的位置異構化是調節非富勒烯受體四極矩的重要手段設計手段，且不會影響其能級。通過將 BTP-2Cl-ClO 中的一個氯原子重排，形成 BTP-Cl-2ClO分子，使得四極矩從 154.5 增大到 176.0 德拜·埃。重要的是，這種靜電勢增強是在不加深LUMO能級的情況下實現，促進了一系列積極過程，包括加速激子解離、抑制能量無序（表現為烏爾巴赫能量降低）以及形成良好的雙纖維形態。當將 BTP-Cl-2ClO 作為客體受體摻入器件中時，它起到了形態調節劑的作用，建立了最佳的雙纖維網絡，同時作為電荷傳輸體，利用其高四極矩和能級排列來加速激子解離并抑制復合。最終，使得效率超過 20%，同時在厚膜（410 納米）器件和大面積模塊（20.25 平方厘米）中保持超過 16.5% 的 PCE，突顯了其與可擴展制造的兼容性。這項工作建立了直接且可推廣的結構-靜電-性能關系，推進有機太陽能電池的發展。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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