供稿、供图：化学与化工学院    编辑：田柳

近日，北京理工大学化学与化工学院王金亮教授团队在基于不对称末端π-扩展与烷基支化位点协同调控的小分子受体材料构筑及其在高性能二元有机太阳能电池方面的研究中取得重要进展。相关成果以“Rational Asymmetric Acceptor Engineering via Unidirectional Terminal π-Extension and Optimizing Alkyl Branching Sites Affords a Binary Photovoltaic Efficiency of 20.7% by Suppressed Nonradiative Energy Loss”为题，发表在国际材料学顶级期刊《Advanced Materials》（Adv. Mater. 2026, 38, e73646）上。北京理工大学为第一通讯单位，化学与化工学院王金亮教授和安桥石副教授、香港理工大学李刚教授、浙江大学陈红征教授、深圳技术大学张光烨教授和北京理工大学光电学院宋寅教授为共同通讯作者。化学与化工学院博士研究生张恒、浙江大学博士后李耀凯和深圳技术大学硕士研究生孙康博为该论文的共同第一作者。

有机太阳能电池（OSCs）因其具有柔性、轻质、可溶液加工和半透明等独特优势，已成为下一代清洁能源技术的重要候选者。随着小分子受体（SMAs）设计的不断演进，其能量转换效率（PCE）已逐步跨越20%的大关。然而，有机太阳能电池仍面临两大核心挑战：一是激子扩散长度有限导致激子利用率不足，二是严重的非辐射复合导致较大的能量损失（E_loss），二者限制了OSCs性能的进一步提升。如何在保持高短路电流密度（J_SC）的同时，有效抑制非辐射复合能量损失（ΔE₃），实现开路电压（V_OC）与J_SC的协同突破，依然是该领域面临的重大挑战。

针对上述科学挑战，国家级领军人才王金亮教授团队结合前期在非对称有机小分子受体材料创制及二元有机光伏性能调控方面的研究基础（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19241; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202216340（热点和ESI高被引论文）; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202313016; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202506795（热点论文）; Angew. Chem. Int. Ed. 2026, 65, e3817518等），为了进一步打破二元OSCs的效率瓶颈，采用一种“侧链支化位点优化与单向端基π-拓展”协同的不对称分子工程策略，设计合成了一系列烷基链支化位点逐步向外移动的对称分子（TC1-F、TC2-F、TC3-F、TC4-F）以及单向/双向萘基端基的π-拓展修饰的不对称/对称分子（A-TC3-F/TC3-NF）（图1a），并系统探究了该协同策略对小分子受体光电性质、晶体堆积、共混形貌及相应OSCs的光伏性能和能量损失的内在影响机制。

图1：基于侧链支化位点优化与单向端基π-拓展的对称/不对称小分子受体的分子结构及其薄膜特性

研究发现，随着支化位点逐步外移，并进一步引入单向萘基端基，受体纯相薄膜中的带隙变窄，结晶性显著增强，电子迁移率和激子扩散长度也具有明显改善（图1b-e）。单晶结构解析表明（图2），与TC1-F、TC2-F和TC4-F形成的单斜晶系晶体不同，烷基3号位点支化的TC3-F和A-TC3-F采用了独特的三斜晶系，形成了更紧密有序的三维堆积网络。得益于不对称萘基端基的引入，A-TC3-F在单晶结构中构筑了新颖的二维层状堆积基元和更致密的三维互穿堆积网络，形成了多维电荷传输通道，从而使其纯膜具有最优异的结晶性、最有序的“face-on”分子取向、最高电子迁移率以及最长的激子扩散长度。

图2：基于对称/不对称小分子受体的晶体堆积模式及其对应的π-π堆积距离和层状堆积差异

 在光伏器件性能测试中，基于PM6:A-TC3-F的二元器件展现出优异的性能，器件参数同步提高，获得了19.49%的PCE。进一步引入固体添加剂DIB优化形貌后，该器件效率提升至20.17%，显著优于其他对称受体的器件。更令人鼓舞的是，当与聚合物给体D18共混时，优化后的D18:A-TC3-F二元器件实现了高达20.70%的PCE，同时具有超低的ΔE₃（0.191 eV）。这一数值刷新了基于不对称端基的小分子受体的二元体异质结有机太阳能电池的效率纪录（图3a-d）。

为进一步揭示A‑TC3‑F器件性能提升的微观机制，该团队系统研究了其载流子动力学及共混膜形貌。结果表明，基于A-TC3-F的器件表现出更快的激子解离与电荷收集、更小的电荷复合以及更平衡的电荷传输；同时，其共混膜具有更优化的相分离尺度和更有序的分子堆积（图3e-f），这些优势协同促进了V_OC和填充因子的显著提升，同时维持了较高的J_SC。此外，与TC3-F器件相比，A-TC3-F器件在氮气氛围中表现出更好的热稳定性。

图3：小分子受体与给体PM6和D18的二元有机太阳能电池器件参数、发表的基于不对称端基小分子受体的二元体异质结太阳能电池性能统计对比、文中器件的能量损失、共混薄膜结晶性、载流子迁移率等对比图。

综上所述，本项工作通过对称烷基链支化位点外移与不对称单向末端π-扩展的协同策略，成功构筑了兼具高效率与低能量损失的二元有机太阳能电池。研究有力证明了优化烷基支化位点与不对称末端π-扩展在优化分子堆积、调控共混形貌、提升激子扩散能力以及抑制电压损失方面的协同优势。这一突破不仅展示了二元有机太阳能电池在不依赖第三组分的情况下也能实现20.7%的卓越效率，还为未来设计高性能、低能量损失的二元非对称光伏受体材料提供了启发性的分子设计思路。

上述研究工作得到了国家级领军人才项目、国家自然科学基金面上项目、北京理工大学特立青年学者计划/特立学生科技创新团队项目以及北京市智能分子材料与高通量制造北京市重点实验室和北京理工大学分析测试中心的支持。韩国高丽大学Han Young Woo教授、北京工商大学李熊教授、北京大学姚泽凡副研究员、中科院大学孟祥悦教授与中科院化学所朱晓张研究员团队给予了大力支持。 

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.73646 

（审核：王振华）