有機太陽能電池（OSCs）因其輕質、柔性及半透明等優異特性，在可穿戴電子、光伏建筑/農業等領域具有廣泛的應用前景。近年來，非富勒烯受體的快速發展極大地推動了OSCs性能的提升。對于受體分子而言，其光電惰性的側鏈對于調控共軛骨架自組裝及相分離具有重要作用。然而，常規烷基側鏈和芳基側鏈難以有效平衡材料的結晶性和組分間兼容性，導致相分離不理想。
為解決這個問題，青島能源所先進有機功能材料與器件研究組在之前的研究中提出了“側鏈外圍功能化”的設計理念：通過在共軛骨架上的柔性鏈段外圍引入功能基團，協同電子效應和位阻效應，可有效解決結晶性與兼容性不平衡的矛盾。該設計策略兼具普適性和多功能性，已被國內外多個研究團隊采納，并在高效穩定有機光伏的研究中發揮著重要作用。
此前研究主要采用苯基作為外圍功能基團調控有機共軛分子的聚集態。苯基作為一種整體呈現弱電負性的共軛基團，其更多發揮位阻作用，調節分子自組裝，同時作為共軛平面參與分子間π-π作用構建及空間超共軛效應。為了進一步明確描述分子外圍強電子效應的功能特性，研究團隊引入具有強電負性的苯并三氮唑（BTz）進行外圍功能調控，并基于一鍋法得到了兩類BTz異構體（圖1）。研究結果不僅證實了外圍基團對分子堆積、給受體相互作用及共混形貌的多重影響，還揭示了外圍缺電子基團通過分子內相互作用誘導主骨架電子云分布重排，進而顯著調控異質結能量景貌及非輻射能量損失（ΔEnr）的作用機制。由于ΔEnr的顯著差異（0.30 eV vs 0.22 eV），兩個外懸異構化的受體分子YBTz-1和YBTz-2表現出明顯不同的光伏性能（14.7% vs 19.1%）。同時，YBTz-2受體的低非輻射能損特性使其在多組分器件中具有很好應用。將YBTz-2進行摻雜后，可以在保持開路電壓基本不變的前提下，顯著改善三組分異質結的納米形貌，同時提高器件的短路電流密度和填充因子，實現了19.9%的高轉換效率。
分子外圍強電子效應功能基團異構化研究
此外，研究還發現外圍功能基團介導的受體結晶動力學和活性層相分離動力學的同時優化，降低了YBTz-2器件活性層的缺陷態密度和亞穩態分布，提高了光伏電池的長期穩定性，光伏器件在連續加熱工況下T80%超過2000小時。相關研究不僅拓展了外圍基團的功能特性，還為解決有機光伏的效率瓶頸-非輻射能量損失過高提供了重要參考。
相關研究成果近期發表在Energy & Environmental Science期刊。論文第一作者為博士生王曉寧，通訊作者為包西昌研究員、李永海副研究員及畢富珍助理研究員。本研究得到國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會、及山東能源研究院專項基金等項目資助。
