主要內(nèi)容
對小分子受體（Small Molecular Acceptors, SMAs）開展硝化處理，是提升其光電性能領(lǐng)域備受關(guān)注的有效策略。從原理上講，這種處理手段能夠在不破壞分子固有平面性的前提下，有效增大分子的偶極矩以及相對介電常數(shù)。而相對介電常數(shù)的增大，對于增強材料對電荷的捕獲與存儲能力至關(guān)重要，進而有望顯著提升有機太陽能電池（Organic Solar Cells, OSCs）的整體性能，為開發(fā)高效能源轉(zhuǎn)換器件提供新的可能。
然而，目前廣泛應(yīng)用的末端基團硝化策略卻存在不容忽視的局限性。在化學反應(yīng)過程中，末端硝化不可避免地會降低SMAs的最低未占據(jù)分子軌道（Lowest Unoccupied Molecular Orbitals, LUMOs）能級。LUMO能級的降低會直接導致OSCs的開路電壓下降，而開路電壓作為衡量電池性能的關(guān)鍵指標之一，其降低無疑會嚴重限制電池效率的進一步提升，成為制約有機太陽能電池發(fā)展的瓶頸問題。
面對這一亟待解決的科學難題，南開大學陳永勝教授與姚朝陽研究員團隊憑借深厚的學術(shù)積累和敏銳的科研洞察力，展開了深入系統(tǒng)的研究。他們通過細致的分子結(jié)構(gòu)分析與理論計算，敏銳地發(fā)現(xiàn)CH系列受體的中心單元上存在額外的活性位點。這些活性位點為硝化反應(yīng)提供了全新的作用靶點，為突破傳統(tǒng)硝化策略的局限帶來了希望?；诖酥匾l(fā)現(xiàn)，團隊大膽創(chuàng)新，提出在中心單元而非末端基團上進行逐步硝化的策略，并經(jīng)過反復實驗與優(yōu)化，成功構(gòu)建了兩種新型SMAs——CH1NO和CH2NO。
中心硝化策略在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出了多方面的顯著優(yōu)勢。從電荷傳輸?shù)慕嵌葋砜?，該策略使材料具有較大的相對介電常數(shù)，這一特性極大地增強了材料對電荷的捕獲和存儲能力，為電荷的高效傳輸提供了有利條件。同時，中心硝化促進了分子間形成更加有序的堆積結(jié)構(gòu)，這種優(yōu)異的分子堆積方式進一步優(yōu)化了電荷傳輸通道，減少了電荷在傳輸過程中的散射和復合損失。特別是對于CH1NO而言，其在活性層中呈現(xiàn)出了獨特的纖維狀形貌。這種纖維狀形貌不僅增大了材料的比表面積，為電荷的傳輸提供了更多的路徑，而且有利于形成連續(xù)的導電網(wǎng)絡(luò)，從而顯著提高了電荷的收集效率。更為關(guān)鍵的是，與末端硝化不同，中心硝化對SMAs的LUMO能級影響極小，有效地避免了開路電壓的顯著降低，為提高電池效率奠定了堅實基礎(chǔ)。
基于上述獨特的性能優(yōu)勢，基于CH1NO的二元有機太陽能電池在性能測試中展現(xiàn)出了**的表現(xiàn)。其光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）達到了18.57%，這一數(shù)值顯著高于基于CH2NO的有機太陽能電池（15.58%）。深入探究其內(nèi)在機制發(fā)現(xiàn)，CH1NO具有更寬的光電響應(yīng)范圍，能夠吸收更多不同波段的光子，從而將更多的光能轉(zhuǎn)化為電能，提高了光電流輸出。同時，其電荷轉(zhuǎn)移/傳輸動力學特性得到了顯著改善，電荷在給體/受體（D/A）界面處的轉(zhuǎn)移更加迅速高效，在材料內(nèi)部的傳輸過程中的復合概率大幅降低，進而提高了電荷的收集效率，最終實現(xiàn)了電池效率的大幅提升。
為了進一步驗證中心硝化策略的普適性和優(yōu)越性，團隊在CH系列SMAs的二維共軛擴展分子平臺上，對中心單元實施了精準的硝化處理，成功制備了含有一個或兩個硝基的兩種受體材料CH1NO和CH2NO。從分子結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系來看，得益于硝基的強吸電子特性和離域π體系，CH1NO和CH2NO均展現(xiàn)出了較大的偶極矩。較大的偶極矩增強了分子間的相互作用力，促進了分子之間的緊密堆積，形成了更加穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)。此外，盡管CH2NO上的硝基存在多種構(gòu)象，但這兩種受體材料仍能保持整體平面骨架結(jié)構(gòu)。這種穩(wěn)定的平面骨架結(jié)構(gòu)確保了分子在薄膜狀態(tài)下的有序排列，有利于形成連續(xù)的導電通道，從而保證了材料性能的穩(wěn)定性和可靠性。與CH2NO相比，CH1NO在介電常數(shù)、光電響應(yīng)范圍以及給體/受體（D/A）共混物的形貌等方面均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，進一步充分證實了中心硝化策略的有效性和可行性。
綜上所述，本研究由南開大學陳永勝教授與姚朝陽研究員團隊主導完成。研究不僅創(chuàng)新性地將中心硝化策略引入SMAs的改性研究，確立了其作為傳統(tǒng)SMAs鹵化方法的一種**前景的替代方案，更為重要的是，為同時優(yōu)化介電常數(shù)和薄膜形貌提供了一種潛在且高效的策略。這一研究成果有望推動有機太陽能電池領(lǐng)域向更高效率、更低成本的方向發(fā)展，為解決全球能源問題提供新的思路和技術(shù)支持。
文獻信息
Exploring Nitration Effects on the Two-Dimensionally Extended Central Unit of Acceptors for Organic Photovoltaics
Jiaqi Li、Yu Li、Kaiyuan Wang、Zhenjie Zhang、Shuhui Ding、Zhaoyang Yao、Yaxiao Guo、Chenxi Li、Xiangjian Wan、Yongsheng Chen
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.5c01702
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