納米中心魏志祥small：給體端基氟化調(diào)控結(jié)晶性與相容性，使無添加劑全小分子OSCs效率超16%！

主要內(nèi)容

國家納米科學(xué)中心魏志祥研究員、鄧丹研究員與湘潭大學(xué)易蘭花教授強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，帶領(lǐng)其科研團(tuán)隊開展了一項**前瞻性與挑戰(zhàn)性的研究。他們聚焦于具有完全明確化學(xué)結(jié)構(gòu)的全小分子有機(jī)太陽能電池（All - small - molecule organic solar cells, ASM - OSCs）。

在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域，ASM - OSCs因其獨特的優(yōu)勢，成為通過聚集態(tài)來深入探究分子結(jié)構(gòu)與器件性能關(guān)系的理想模型，對于推動該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用發(fā)展都有著不可忽視的作用。而端基封端受體單元，憑借其在基本分子間相互作用中的關(guān)鍵角色，對調(diào)控聚集態(tài)起著決定性影響，是提升ASM - OSCs性能的關(guān)鍵因素之一。

然而，當(dāng)前針對小分子給體的端基封端受體單元研究存在明顯短板。不僅成功應(yīng)用的案例稀少，而且研究范圍過度集中于烷基取代的羅丹明。這種單一的研究局面，使得科研人員在探索ASM - OSCs性能提升的道路上受到極大限制，嚴(yán)重制約了ASM - OSCs的進(jìn)一步發(fā)展。

面對這一困境，研究團(tuán)隊大膽創(chuàng)新，另辟蹊徑。他們通過對芐基取代的羅丹明進(jìn)行氟化處理，成功設(shè)計出三種新型端基封端受體。在研究過程中，團(tuán)隊運用了一系列**的表征技術(shù)和精密的實驗方法，對氟化位置和氟原子數(shù)量對純膜及共混膜的影響進(jìn)行了全面而深入的探究。研究結(jié)果表明，氟化位置和氟原子數(shù)量對純膜及共混膜的動態(tài)成膜過程、聚集態(tài)以及光電性能均有著顯著且復(fù)雜的影響。當(dāng)與BTP - eC9搭配使用時，具有單一間位氟化端基的MPhS - m - 1F脫穎而出，展現(xiàn)出**的性能。其光電轉(zhuǎn)換效率（Power Conversion Efficiency, PCE）高達(dá)16.10%，在無添加劑ASM - OSCs中處于領(lǐng)先水平，同時電荷載流子調(diào)控效率也達(dá)到了極高水準(zhǔn)。這一突破性成果為開發(fā)多樣化的高效端基封端單元開辟了嶄新路徑，為ASM - OSCs性能的提升提供了新的可能，也為后續(xù)相關(guān)研究提供了寶貴的參考和借鑒。

具體而言，以MPhS - 0F為基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊通過精準(zhǔn)調(diào)控端基氟化位置和數(shù)量，成功設(shè)計并合成了三種小分子給體。從分子層面深入分析，端基引入氟原子取代基能夠有效增強(qiáng)分子間的相互作用力，促進(jìn)分子緊密堆積，從而有利于形成更加有序的分子排列結(jié)構(gòu)。但當(dāng)氟原子取代數(shù)量過多時，會改變分子的電子云分布和空間構(gòu)型，進(jìn)而降低與BTP - eC9的相容性，影響兩者之間的電荷轉(zhuǎn)移和能量傳遞效率。在單一間位氟化的條件下，MPhS - m - 1F在純給體膜和共混膜中均形成了最為有序且緊密的 - 堆積結(jié)構(gòu)。這種獨特的結(jié)構(gòu)使得分子間的電子云重疊程度增加，有利于電子的離域和傳輸。適中的相容性確保了BTP - eC9能夠更好地聚集在MPhS - m - 1F周圍，形成有效的電荷傳輸通道，進(jìn)而有力促進(jìn)了電子傳輸，最終形成了具有理想分離狀態(tài)的形態(tài)結(jié)構(gòu)。該研究深入揭示了端基氟化對分子組裝及相互作用的內(nèi)在調(diào)控機(jī)制，從分子水平上為理解ASM - OSCs的性能提升提供了新的視角。同時，豐富了給體端基的設(shè)計思路，為高效小分子給體的設(shè)計提供了切實可行的指導(dǎo)方案，有望推動ASM - OSCs向更高效率、更穩(wěn)定的方向發(fā)展。

文獻(xiàn)信息

Crystallinity and Compatibility Regulated by Donor End-Capped Fluorination Enabled Efficiency Over 16% in Additive-Free All-Small-Molecule Organic Solar Cells

Caixuan Wang, Ruimin Zhou, Zi Liang, Dan Deng, Lanhua Yi, Jianqi Zhang, Zhixiang Wei

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202505947

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