近年來，有機光電材料和器件工藝不斷創新，有力推動了有機太陽能電池事業的蓬勃發展。然而對于活性層內部復雜的分子間相互作用知之甚少。因此，探究分子間相互作用機制的相關研究對調控活性層微結構和激子、電荷行為至關重要。A-D-A型小分子受體（SMA）因其獨特的推拉電子結構而具有較強的分子內電荷轉移（ICT）效應、易于調節的吸收范圍和帶隙及優異的平面性，有利于活性層形成良好的納米互穿網絡結構。SMA主要由 共軛骨架、側鏈和缺電子端基組成。端基之間的 - 堆積為SMA排列提供了主要電荷傳輸通道，此外，在活性層端基與給體材料（D）之間存在分子間相互作用也已被證實。因此，利用端基工程調控受體分子間（A/A）及給受體分子間（D/A）相互作用對構建高效的有機光伏具有重要意義。

　　圖1. 小分子受體LA15-LA17的合成路線及結構式

　　先進功能材料與器件研究組基于此前在SMA側鏈工程及分子間相互作用的研究基礎上(Adv. Mater. 2019, 31, 1807832; The Innovation 2021, 2, 100090; Adv. Funct. Mater. 2021, 30, 2007088)，開展了活性層內分子間相互作用的協同研究。該研究將三種端基DCI、CPTCN和F-DCI分別引入甲氧基取代的引達省并二噻吩（IDT）共軛骨架，并引入丁基苯基（C4Ph）側鏈調控其結晶性和共混性行為，合成了三種SMAs (LA15、LA16和LA17，圖1)，并從D/A和A/A分子間相互作用的雙重視角探究了其對光伏性能的影響。表明不同的端基影響受體的結晶度和靜電勢（ESP）分布，進而調控A/A和D/A分子間的相互作用。雖然LA15表現出中等的結晶度A/A相互作用，但其合適的ESP分布誘導產生適中的D/A分子間相互作用，獲得了13.10%的光伏效率。LA17由于異構體的存在表現出弱A/A相互作用，但其大的靜電勢誘導產生明顯增強的D/A相互作用，從而產生了嚴重的電荷復合，效率低至12.07%。相反，高結晶度的 LA16具有強A/A相互作用及適中的ESP分布帶來相對較弱的 D/A 相互作用，二者協同作用獲得了最優的 BHJ 形貌、電荷傳輸和最低復合損失，獲得了最佳器件效率。

　　圖2. (a) 端基與SMAs的ESP圖。(b和c) 端基中原子的平均ESP和ESP區域分布。(d和e) SMAs中原子的平均ESP和ESP區域分布。(f) SMAs薄膜接觸角圖。

　　需要說明的是，受體分子間A/A相互作用與材料分子堆積和結晶性密切相關，因此該研究工作中采用結晶性來定性評估A/A相互作用強度。而D/A相互作用通過ESP分布、Flory-Huggins相互作用參數（ ）及分子動力學分析（圖2）。表明BHJ的微觀結構與光伏性能受A/A和D/A相互作用的共同影響，較強的A/A相互作用有利于增強分子堆積，形成優良的電荷傳輸通道，但是過強的A/A相互作用會導致大聚集體的產生，增強激子復合。同時，過強的D/A相互作用易形成過度共混的形貌特征，增加電荷復合損失，適度的D/A相互作用有助于BHJ形成良好的納米互穿網絡結構和分子取向。因此，均衡的A/A和D/A相互作用可以改善太陽能電池的電荷傳輸及電荷復合損失，有利于構建高效的有機光伏體系（圖3）。

　　圖3. 分子間相互作用對BHJ形貌的影響示意圖

　　該工作近期以題為“Balancing Intermolecular Interactions between Acceptors and Donor/Acceptor for Efficient Organic Photovoltaics”發表在Advanced Functional Materials上。論文第一作者為韓晨雨，共同一作為王劍曉；通訊作者為包西昌研究員、李永海副研究員等。該項目獲得中國科學院青年創新促進會、國家自然科學基金、山東能源研究院等項目的資助。感謝中科院化學所陳亮亮同學對材料純化的幫助。

　　論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107026