港理工李剛Angew：20.14%！鹵化工程受體讓碳?xì)淙軇┨幚淼腛SCs效率一飛沖天

主要內(nèi)容

鹵化作用在提升有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSCs）性能方面扮演著舉足輕重的角色。它就像一把精準(zhǔn)的“手術(shù)刀”，能夠巧妙地調(diào)控分子堆積方式、優(yōu)化能級(jí)分布，并改善電荷動(dòng)力學(xué)特性，進(jìn)而顯著增強(qiáng)電池的整體性能。

由香港理工大學(xué)李剛教授、馬睿杰教授與深圳大學(xué)楊楚羅教授、羅正輝教授共同領(lǐng)銜的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得了令人矚目的突破。該團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出三種以苯并[a]吩嗪為核心的新型小分子受體材料，分別命名為NA5、NA6和NA7。隨后，他們系統(tǒng)且深入地評(píng)估了這三種材料在鄰二甲苯加工的二元及三元OSCs體系中的光伏性能。

研究結(jié)果表明，鹵化作用具有多方面的積極影響。它可以增強(qiáng)分子間的相互作用力，提高載流子在材料中的遷移率，還能有效促進(jìn)激子的解離過(guò)程。在這些有利因素的共同作用下，二元器件的效率實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，從使用NA5時(shí)的約2%大幅提升至使用NA6和NA7時(shí)的17%以上。然而，科學(xué)探索的道路并非一帆風(fēng)順，鹵化作用也并非十全十美。

它同時(shí)會(huì)增強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移態(tài)（CT）的特性，而這往往會(huì)引發(fā)更高的非輻射復(fù)合損失，成為制約電池性能進(jìn)一步提升的“絆腳石”。不過(guò)，值得慶幸的是，鹵化作用帶來(lái)的電荷分離驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)以及形貌有序性改善等優(yōu)勢(shì)，如同“及時(shí)雨”一般，足以抵消其對(duì)能量損失造成的負(fù)面影響。

在這系列研究中，一個(gè)尤為引人注目的成果是，當(dāng)把NA7引入PM6:BTP - eC9三元體系后，仿佛為電池性能的提升注入了一劑“強(qiáng)心針”。共混物的形貌得到了顯著優(yōu)化，非輻射復(fù)合現(xiàn)象被有效抑制。最終，該體系實(shí)現(xiàn)了20.14%的光電轉(zhuǎn)換效率（認(rèn)證值19.93%），一舉創(chuàng)下了碳?xì)浠衔锶軇┘庸SCs的最高效率紀(jì)錄。這一**成果不僅生動(dòng)地展現(xiàn)了鹵化作用在調(diào)控器件能量學(xué)中“利弊共存”的獨(dú)特雙重特性，更通過(guò)巧妙的分子設(shè)計(jì)策略，為在激子解離與能量損耗之間尋求平衡提供了關(guān)鍵的解決思路。

為了深入探究鹵化作用背后的機(jī)制，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步運(yùn)用含時(shí)密度泛函理論（TD - DFT）和外量子效率 - 電致發(fā)光（EQE - EL）分析展開(kāi)研究。結(jié)果證實(shí)，鹵化作用會(huì)系統(tǒng)性地提高CT態(tài)的占比，進(jìn)而導(dǎo)致非輻射復(fù)合損失增加。這一機(jī)制性發(fā)現(xiàn)清晰地揭示了鹵化作用在促進(jìn)激子解離的同時(shí)，也悄然引入了新的能量耗散通道，就像在提升性能的道路上設(shè)置了一個(gè)“隱形陷阱”。為了巧妙地繞過(guò)這個(gè)“陷阱”，團(tuán)隊(duì)將鹵化受體NA7引入三元共混體系。通過(guò)抑制重組能、降低CT占比等有效手段，大幅減少了非輻射損失。與此同時(shí)，飛秒瞬態(tài)吸收光譜（fs - TAS）與光誘導(dǎo)力顯微鏡（PiFM）研究也證實(shí)，該體系依然能夠保持高效的電荷分離與傳輸特性，確保了電池性能的穩(wěn)定提升。PM6:BTP - eC9:NA7三元器件所展現(xiàn)出的**性能，充分驗(yàn)證了三元策略通過(guò)整合各組分優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)效率**化的有效性，為有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展開(kāi)辟了一條新的道路。

此項(xiàng)具有開(kāi)創(chuàng)性的研究由香港理工大學(xué)與深圳大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)完成。它不僅極大地深化了我們對(duì)鹵化作用調(diào)控器件物理過(guò)程的理解，更為開(kāi)發(fā)可持續(xù)、高效率且具備商業(yè)可行性的有機(jī)太陽(yáng)能電池提供了**前瞻性和實(shí)用性的分子設(shè)計(jì)路徑，有望推動(dòng)有機(jī)太陽(yáng)能電池從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，為清潔能源領(lǐng)域的發(fā)展注入新的活力。

文獻(xiàn)信息

Halogenation-Engineered Acceptor Enables 20.14% Efficiency in Hydrocarbon-Solvent Processed OSCs: From Binary Trade-Offs to Ternary Synergy in Exciton and Energy Loss Management

Jun Zhang, Weifei Wei, Zhenghui Luo, Zhanxiang Chen, Ruijie Ma, Mengyang Wang, Yongmin Luo, Yi Chan, Zhaozhao Bi, Yao Li, Jiaying Wu, Qunping Fan, Wei Ma, Gang Li, Chuluo Yang

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202512237

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