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近期，北京理工大學化學與化工學院王金亮教授團隊在異構化小分子給體材料合成及其在高效率兼具穩定性好的全小分子有機太陽能電池的應用研究方面取得重要進展，相關研究成果發表在材料類國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》（DOI: 10.1002/adfm.202300878）上，題為“Isomeric Small Molecule Donor with Terminal Branching Position Directly Attached to the Backbone Enables Efficient All-Small-Molecule Organic Solar Cells with Excellent Stability”。北京理工大學為唯一通訊單位，化學與化工學院王金亮教授、安橋石特別研究員、黃學斌副教授為共同通訊作者，碩士研究生支鴻富為第一作者。

如何開發可高效利用清潔能源的技術是國家能源戰略布局面臨的重大科學問題。有機太陽能電池（OSCs）作為一種高效利用太陽能的技術，由于具有輕、薄、柔和易加工等諸多優點受到了廣泛關注。由于小分子材料具有明確的分子結構、批次穩定性好、易制備和純化等優勢，基于小分子給受體材料的全小分子有機太陽能電池（ASM-OSCs）展現出巨大商業化潛力。然而由于小分子有源層形貌敏感且難以調控，其整體效率和器件穩定性落后于其它類型材料構筑的有機太陽能電池。因此如何發展新的小分子給受體材料和制備出高效率兼具穩定性好的全小分子有機太陽能電池，是目前亟待解決的關鍵科學問題之一。

針對上述的關鍵科學問題，王金亮教授團隊基于前期在IDT核心的多氟代寬帶隙單分散共軛大分子給體材料創制方面 ( J. Am. Chem. Soc. 2016 ,   138,  7687，被引用195次;  Adv. Funct. Mater. 2015,  25 , 3514； Adv. Funct. Mater.  2016,  26 , 1803)和高效全小分子有機太陽能電池器件制備方面( Energy Environ. Sci. 2021,  14 , 3945;  ACS Energy Lett. 2021,  6 , 2898， ACS Energy Lett. , 2023,  8 , 1058等)的研究工作基礎，采用小分子給體端基異構化調控策略，在不改變末端烷基鏈總長度的情況下，設計合成了一組基于線性、分叉點在第1和2個碳原子位置的烷基化羅丹寧端基的苯并二噻吩-三噻吩類的小分子給體材料(SM- n -Bu，SM- s -Bu和SM- i -Bu，圖1)。系統地探討了端基烷基鏈異構化策略對小分子給體的光電行為、模型化合物單晶結構、與非富勒烯受體BO-4Cl的共混形態以及相應OSCs的效率和穩定性的影響和相應的構效關系。

圖1：端基烷基鏈異構化小分子給體分子結構以及模型化合物的晶體堆積圖對比

相應的模型化合物的單晶結構展現出明顯的差異性。與另外兩個晶體的層狀滑移堆積模式相比，末端烷基異構分叉點最臨近羅丹寧骨架的晶體結構（T- s -Bu）具有更緊密的魚骨狀堆積模式，表明末端烷基鏈異構化調控可以精細調控分子間晶體堆積模式。盡管這些小分子異構化給體材料具有相似的吸收和HOMO/LUMO能級， SM-s-Bu:BO-4Cl共混膜具有更合適的相分離尺寸以及更明顯的微晶共存特征（圖2），進而促進了更加高且平衡的電子-空穴遷移率以及更弱的電荷復合。因此，基于SM- s -Bu:BO-4Cl的二元全小分子電池獲得16.1%的最優光電轉換效率，明顯高于基于SM- n -Bu:BO-4Cl和SM- i -Bu:BO-4Cl的器件結果，是基于苯并二噻吩-三噻吩類小分子給體材料的全小分子有機太陽能電池的高光電轉換效率之一。更重要的是，SM-s-Bu:BO-4Cl電池同時實現了存儲 T ₈₀壽命超過1700 h，表明其在獲得高效率的同時兼具有出色的存儲穩定性。綜上，這項工作突破了給體末端基調控的傳統思路，強調了末端烷基異構分叉點最臨近羅丹寧骨架的策略有助改善晶體填充和調控共混薄膜形態，為實現高效率和穩定性好的全小分子太陽能電池提供了簡便可行的新策略。

圖2：基于三個異構化小分子給體的共混膜形貌(a-i)以及器件效率(j)以及穩定性(k)對比

上述研究工作得到了國家自然科學基金面上項目、國家海外高層次青年人才項目、北京理工大學特立青年學者計劃等項目以及北京市光電轉換材料重點實驗室和北京理工大學分析測試中心的支持。韓國高麗大學的Han Young Woo教授、北京工商大學李熊教授、中國人民大學王亞培教授等給予了部分測試支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202300878