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区域规整的杂氟/溴化双非对称端基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取得重要进展。相关成果以“Manipulating Heavy Halogenated Asymmetric Terminals Affords Regio-Regular Hetero-Fluorinated/Brominated Dual Asymmetric Acceptor with a Binary Photovoltaic Efficiency of 20.3%”为题发表在国际化学顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。北京理工大学为唯一通讯单位，王金亮教授为本论文唯一通讯作者。化学与化工学院博士研究生Aslam-Muhammad Shahid和荣洪晨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（SMA）设计的不断演进，其能量转换效率（PCE）已逐步跨越20%的大关。在众多分子工程策略中，通过末端基团的卤素工程调节分子的光电特性和堆积行为被证明是提升效率的最有效手段之一。然而，如何精准控制重卤素（如溴、碘） 在非对称末端中的位置，并合成具有区域规整性（Regio-regular） 的双非对称小分子受体，依然是该领域的重大挑战，进而导致二元光伏器件相对低的PCE。

针对上述的科学挑战，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（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）等）以及杂卤代端基的小分子受体（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209454; Energy Environ. Sci., 2022, 15, 320等）的分子创制和二元光伏性能调控方面的研究基础，提出了一种创新的双非对称末端的分子工程策略，旨在通过精细调控末端重卤素取代，平衡光伏参数并突破二元器件效率瓶颈。成功合成并系统对比了三种全局非对称小分子受体（AY2F-ClF、AY2F-BrF、AY2F-IF）以及一种对称受体（SY-2(FBr)）的光电行为、分子间单晶堆积结构、以及对相应二元OSCs的光伏性能和能量损失的影响。 

图1：基于重卤化端基的全局非对称/对称小分子受体的设计策略和分子结构及其薄膜吸收性质、能级分布和结晶性对比。 

这些分子的核心特点在于引入了区域规整的异双卤化非对称末端（图1）。实验发现，随着卤素原子从氯到溴再到碘的演变，分子的光收缩带隙逐渐变窄，HOMO能级显著上移，有效增强了分子内的电荷转移（ICT）效应。通过单晶X射线衍射分析（图2），观察到非对称受体AY2F-BrF在单晶状态下展现出最小的扭曲角和最高的分子堆积密度。这种紧密的3D网络结构配合多维度、强有力的电子耦合，为电荷的高速传输提供了理想的通道，其纯膜状态下的电子迁移率显著优于其他对照组分子。在器件性能测试中，基于D18:AY2F-BrF的二元器件表现异常出色，实现了高达20.3%的能量转换效率（图3）。这一数值刷新了基于非对称末端小分子受体的二元体异质结太阳能电池的效率纪录。深入的载流子动力学研究表明，AY2F-BrF器件性能的全面提升得益于其优化的相分离形貌、更快的激子解离过程以及更高效的电荷收集能力。通过飞秒瞬态吸收光谱（fs-TA）和傅里叶变换光电流光谱（FTPS-EQE）分析证实，该体系不仅具有极快的空穴转移速率，还成功抑制了非辐射复合损失，使总能量损失（E_loss）降低至0.512 eV，在保持高短路电流的同时显著提升了开路电压和填充因子。 

图2：基于重卤化端基的全局非对称/对称小分子受体的晶体堆积模式及其对应的π-π 堆积距离和电子耦合对比 

综上所述，本项工作通过全局非对称分子骨架与区域规整的局部异卤化末端的协同策略，完美解决了重卤素取代带来的合成和性能上的挑战。研究有力证明了区域规整的氟溴化异质末端在优化分子排列、提升薄膜结晶度以及降低电压损失方面的独特优势。这一突破不仅展示了二元有机太阳能电池在不依赖三元组分的情况下也能实现超过20%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。

图3：4种受体材料与给体D18的二元有机太阳能电池J-V曲线、发表的基于非对称末端小分子受体的二元体异质结太阳能电池性能、器件的能量损失、共混薄膜结晶性、载流子迁移率、空穴转移速率拟合参数等对比图。 

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。北京大学姚泽凡副研究员、北京理工大学光电学院宋寅教授、北京化工大学张志国教授、北京工商大学李熊教授、中科院化学所朱晓张研究员团队给予了大力支持。上海同步辐射光源中心BL02U2线站为2D-GIWAXS 测试提供了支持。

 文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.3817518 

（审核：王振华）