有机太阳能电池（OSCs）由于其本征柔性、质轻、半透明等特点在便携能源、光伏-建筑一体化、节能玻璃等领域具有广阔的应用前景。随着非富勒烯受体的迅速发展，有机太阳能电池的能量转换效率不断提升，目前其能量转换效率已接近20%。非富勒烯受体通常采用A-D-A型结构，分子骨架主要包括缺电子端基、富电子中心核以及确保溶解性的侧链。这种模块化设计为从材料构效关系出发调控器件性能提供了理论基础。研究表明，缺电子端基不仅可以为分子间电荷传输提供主要通道，也可调控分子内电子内推拉效应。因此，研究端基的局部修饰对调控分子整体性质以及器件性能是十分有必要的。近期，团队采用非稠合共轭拓展的策略对Y系列受体的端基进行结构修饰，研究了端基工程对分子性能的影响。

图1.材料基本性质研究

我们通过σ键将噻吩片段引入到小分子受体末端，扩大分子末端面积以期望获得更优异的电荷传输性能。为了减小噻吩自由旋转对电荷传输、分子堆积的不利影响，我们引入非共价键作用来提升分子的平面性。与传统的刚性共轭拓展相比，此策略能更好的平衡分子聚集与溶解性间的关系，所得的系列小分子受体在常见的加工溶剂中有着良好的溶解性。通过吸收光谱、掠入射X射线衍射测试可以发现BTP-FTh具有较好的结晶性，这来源于其更好的平面性，理论计算显示BTP-FTh分子中外延基团与小分子端基的夹角仅有0.12°。此外，在薄膜状态中更高的电子迁移率也对此有着验证作用。

图2.器件性能参数及电荷动力学研究

随后，我们选取PBDB-T为聚合物给体进行了光伏器件的制备，基于BTP-Th及BTP-FTh的器件效率分别为13.91%及14.81%。BTP-Th的器件开路电压最高为0.880V，通过EQE曲线提取光学带隙计算可得其能量损失更小；而电荷动力学研究显示BTP-FTh的器件有着高效的给受体能量转移，受到电荷复合的影响较小，其电荷传输与提取能力优异。我们对活性层在实空间的形貌进行了研究。得益于良好的给受体相容性，PBDB-T:BTP-FTh的活性层形貌均一性更好。BTP-FTh的良好结晶性在共混膜里能得到良好的保持，紧密的给受体堆积有利于电荷的传输。

图3.活性层形貌研究

我们关注到了末端修饰在降低能量损失方面的潜力，进一步地，我们将BTP-Th作为客体分子加入到PM6:BTP-eC9二元体系中构筑高性能器件。通过调整客体分子的质量分数优化器件性能，最终三元器件的效率为18.71%，各性能参数相对于二元体系均有提升。我们也通过电化学能级等研究确定了双受体的工作机制为类和金相模型。

图4.BTP-Th为客体分子的三元器件研究

该项研究为末端局部修饰调控器件整体性能提供了一些参考。受主编邀稿，该工作最近以“Non-Fused π-Extension of Endcaps of Small Molecular Acceptors Enabling High-Performance Organic Solar Cells”发表在化学领域期刊ChemSusChem（ChemSusChem.2024,e202400601）上。论文第一作者为丰帆同学及胡尊元同学，李永海副研究员和包西昌研究员为论文共同通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金委、中科院青促会及山东能源研究院支持。

论文链接：

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.202400601