论文概览
有机太阳能电池(OSCs)产业化面临核心矛盾：三元器件效率高但工艺复杂，二元器件工艺简单却效率受限。目前仅少数二元体系突破20%效率，且依赖复杂形貌调控。南开大学陈永胜团队设计核不对称受体Ph-2F(苯环氟取代)，实现二元器件效率20.33%(认证19.70%)，创不对称受体世界纪录。分子静电势调控(4.98 kcal/mol)使非辐射损失降至0.193 eV，激子解离加速至0.121 ps;同步实现13.5 cm²模块效率17.16%(全球最高)，寿命超403小时。该设计通过协同调控形貌与能损，为产业化提供高稳定性新路径。该研究以“Central Core Asymmetric Acceptor Design Enables Over 20% Efficiency in Binary Organic Solar Cells by Suppressing Non-Radiative Energy Loss and Optimizing Nanomorphology”为题发表在顶级期刊Energy & Environmental Science上。
技术亮点
1.核不对称设计：苯环侧位氟取代打破对称性，静电势差4.98 kcal/mol增强给受体作用，PLQY达10.36%(超Y6的63%)，非辐射损失压至0.193 eV。
2.相分离形貌自优化：相容性优化(Flory参数χ=0.20K)形成10.99 nm互穿网络，空穴/电子迁移率比1.07，电荷复合降低33%。
3.空穴转移动力学加速：飞秒瞬态吸收证实激子解离时间0.121 ps(比氯取代快2.4倍)，空穴转移效率98.71%，实现免三元掺杂的高效电荷提取。
研究意义
✅突破二元效率极限：创20.33%世界纪录(认证19.70%)，首个不对称受体突破20%壁垒，无需三元组分简化工艺30%。
✅大面积模块新标准：13.5 cm²组件效率达17.16%全球最高，破解面积扩大导致的效率衰减难题。
✅开辟低能损产业化路径：非辐射损失压至0.193 eV(达理论极限)，器件寿命超403小时，为量产提供高稳定性基础。
深度精读
图1分子设计与基础特性
图1a展示核心不对称受体Ph-2F/Ph-2Cl的分子结构，其创新性在于苯环侧位氟/氯取代(红色箭头)。静电势分布揭示Ph-2F电势差达4.98 kcal/mol(Ph-2Cl为5.11)，卤素取代区(红/蓝色渐变)主导强给受体相互作用。紫外光谱显示固态薄膜中Ph-2F吸收峰显著红移76 nm至808 nm(溶液732 nm)，证实氟原子增强分子间π-π堆叠强度。能级排列表明PM6的HOMO(-5.41 eV)与Ph-2F的LUMO(-3.79 eV)形成0.62 eV阶梯差，为高效激子解离提供驱动力。
图2性能与机制验证
J-V曲线显示PM6:Ph-2F器件实现三参数协同优化：开路电压0.906 V、短路电流27.58 mA/cm²、填充因子81.26%，效率达20.33%(认证19.70%)，创不对称受体二元器件纪录。EQE光谱响应扩展至894 nm，积分电流误差<3%。图2e证实13.5 cm²模块效率17.16%。空穴/电子迁移率比值1.07(Ph-2Cl为1.16)，电致发光量子效率5.36×10⁻⁴支撑非辐射损失降至0.193 eV。
图3激子动力学机制
飞秒瞬态吸收光谱揭示核不对称设计对空穴转移的调控机制：当800 nm激光选择性激发受体时，Ph-2F纯膜在820 nm处呈现显著负向基态漂白(GSB)信号(强度超Ph-2Cl 30%);共混体系中，630 nm处PM6给体GSB信号在0.5 ps内快速上升(紫色箭头)，同时受体820 nm信号衰减，证实空穴由受体向给体转移。动力学曲线拟合显示Ph-2F体系激子解离时间(τ₁)仅0.121 ps(Ph-2Cl需0.288 ps)，扩散时间(τ₂)缩短至5.161 ps(11.781 ps)，空穴转移效率达98.71%，为高效率提供动力学基础。
图4分子堆叠有序性
GIWAXS二维衍射图揭示核不对称设计对结晶行为的调控：纯Ph-2F薄膜(左)在面外方向(OOP)呈现显著(010)衍射环(q=1.78 Å⁻¹)，对应π-π堆叠距离3.53 Å(比Ph-2Cl的3.61 Å更紧密)，相干长度23.26 Å证实高度有序;共混体系中，PM6:Ph-2F维持优势面取向，其OOP方向(010)峰相干长度增至31.23 Å(Ph-2Cl仅29.13 Å)，同时π-π堆叠无序因子g值降至13.4%，为电荷迁移率提升提供结构基础。
图5形貌与相分离解析
原子力显微镜(AFM)显示PM6:Ph-2F共混膜表面粗糙度0.91 nm，相图呈现清晰双连续纤维网络;AFM-IR技术(氰基特征峰2216 cm⁻¹定位受体)证实其纤维直径仅10.99 nm，显著优于Ph-2Cl的18.77 nm粗大聚集体。结合表面能计算，Ph-2F与PM6相容性更佳，形成纳米级互穿相分离结构，促进给受体界面最大化，为高效电荷传输提供形貌基础。
文献来源
Jian Liu, Zhaochen Suo, Yongsheng Chen*, et al. Central Core Asymmetric Acceptor Design Enables Over 20% Efficiency in Binary Organic Solar Cells by Suppressing Non-Radiative Energy Loss and Optimizing Nanomorphology. Energy & Environmental Science, 2025.
https://doi.org/10.1039/D5EE03005F.
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