受体材料作为有机太阳能电池（OSCs）活性层的重要组成部分，对推动光伏效率的提升至关重要。但是，目前传统的受体材料带隙调节方式可能会导致材料合成提纯过程复杂、产物溶解性降低、给受体能级难匹配、可修饰位点有限和最低空轨道能级降低等问题。因此亟需开发新的受体分子设计策略来推动OSCs光伏效率的突破并对其构效关系进行系统研究。

图1、分子设计思路与相互作用分析

对此，课题组在前期工作基础上，提出将“烷基侧链-苯基末端”侧链工程与单边共轭π桥结合的策略来发展新型“A-D-π-A”型结构受体（图1）。基于“A-D-A”型小分子受体ID-C6Ph-4F，设计合成了单边π桥的“A-D-π-A”型不对称小分子受体ID-C6Ph-ST-4F，研究了引入π桥对光伏性能的影响。结果表明具有“A-D-π-A”型结构的ID-C6Ph-ST-4F在光学带隙、给受体能级匹配、吸收光谱、结晶性、相分离尺度等方面具有明显优势，基于PM6: ID-C6Ph-ST-4F的器件效率高达15.36%（V_OC=0.88 V、J_SC=23.19 mA/cm²、FF=75.27%），三个参数及最终光伏性能均明显高于ID-C6Ph-4F的性能（V_OC=0.84 V，J_SC=17.47 mA/cm², FF=73.22%, PCE=10.75%），并且位居目前报道的含有π桥受体的最高效率。

特别地，针对二者在共混形貌及分子堆积方面的差异，作者结合实验与理论分析，从分子间相互作用的角度对其进行了探讨。PM6:ID-C6Ph-ST-4F具有更优的纳米纤维互传网络与典型的face-on堆积。然而，尽管ID-C6Ph-4F具有较弱的结晶性和A/A分子间相互作用，其共混形貌反而出现大块的聚集体并且GIWAXS谱图出现微晶信号。对此，作者分析了两组D/A体系的分子间相互作用构型与D/A作用相对强度。如图1所示，PM6:ID-C6Ph-ST-4F具有更强的D/A作用，促进了给受体两相的分散及激子解离效率。然而，PM6:ID-C6Ph-4F表现出较弱的D/A作用，这可能是其严重相分离的重要原因。并且，从D/A作用构型可以得知，两组体系中受体分子侧链末端的苯基倾向于与PM6分子骨架产生额外的范德华作用，进一步增强了D/A作用，并且为D/A作用的调控提高了新的思路。

该工作近期以题为“Manipulating the Intermolecular Interactions through Side Chain Engineering and Unilateral π-Bridge Strategy for Efficient Small Molecular Photovoltaic Acceptor”发表在Adv. Funct. Mater.,2022,32, 2200166。论文第一作者为青岛科技大学青年教师、课题组在职博士后王鹏超博士，共同一作为毕富珍博士；通讯作者为包西昌研究员和李永海副研究员。该项目获得中国科学院青年创新促进会、国家自然科学基金、山东能源研究院等项目的资助。

另外，该工作得到CBG资讯“人物与科研”栏目的邀稿进行工作分享。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202200166