Nat Commun：有機太陽能電池突破20%效率！稠環(huán)異構(gòu)化調(diào)控非鹵化有機太陽能電池的分子堆積與器件性能

分子骨架幾何結(jié)構(gòu)的微小變化影響有機太陽能電池中的分子間相互作用與性能。

本文香港理工大學(xué)羅正輝等人研究了三種異構(gòu)小分子受體（NaO1、NaO2 和 NaO3），以揭示不同稠環(huán)構(gòu)型如何調(diào)控分子堆積、電子耦合和薄膜形成。結(jié)構(gòu)與光譜分析表明，線性稠合的 NaO1 形成緊密的三維堆積網(wǎng)絡(luò)，在多方向上具有大而平衡的電子耦合（>24 meV），而彎曲型類似物則表現(xiàn)出過度結(jié)晶和相分離。原位光學(xué)測量顯示，NaO1 在成膜過程中促進快速且連續(xù)的結(jié)構(gòu)演化，形成平滑的形貌和均勻的相分布。這些結(jié)構(gòu)與動態(tài)優(yōu)勢促進了高效的電荷生成與傳輸，同時降低了非輻射能量損失，最終在非鹵化三元器件中實現(xiàn)了 20.07% 的效率。

我們的研究結(jié)果凸顯了稠環(huán)異構(gòu)化如何決定有機太陽能電池中結(jié)構(gòu)-堆積-性能之間的關(guān)系。

研究亮點：

1. 線性稠合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效三維電荷傳輸：研究發(fā)現(xiàn)線性稠合的 NaO1 能形成高度互聯(lián)的 3D “織物狀”堆積網(wǎng)絡(luò)，具有均衡且較高的電子耦合常數(shù)（＞24 meV），利于三維電荷傳輸，二元器件效率達 19.11%。

2. 原位揭示成膜動力學(xué)與形貌優(yōu)勢：通過原位吸收與 GIWAXS 表征，發(fā)現(xiàn) NaO1 在旋涂過程中表現(xiàn)出快速、連續(xù)的光譜紅移與結(jié)構(gòu)演化，形成均勻納米纖絲形貌（纖維寬度約 20 nm），利于激子解離與電荷提取。

3. 三元體系突破 20% 效率并兼具高穩(wěn)定性：將 NaO1 作為第三組分引入 PM6:L8-BO-C4 體系，構(gòu)建非鹵化三元器件，實現(xiàn) 20.07% 的效率、80.3% 的填充因子，并顯著提升光、熱穩(wěn)定性，大面積模塊（15.03 cm2）效率達 16.93%。

Zhang, J., Ma, R., Li, R. et al. Fused-ring isomerism modulates molecular packing and device performance in non-halogenated organic solar cells. Nat Commun (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66573-3

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