论文概览
针对有机太阳能电池(OSCs)中非辐射复合损失(ΔEnon-rad)严重制约开路电压(VOC)和效率提升的关键问题，该团队创新性地提出烷氧基取代第三组分受体OBO-4F，并将其引入高效D18/L8-BO二元体系中构建“稀释三元”器件。该研究通过将L8-BO分子中噻吩并噻吩单元的烷基链替换为烷氧基链，在保留原有光电性质的同时，显著降低重组能，抑制激子-振动耦合，从而有效降低非辐射复合损失。优化后的稀释三元器件实现了20.1%的功率转换效率(PCE)，VOC高达0.927 V，创下D18/L8-BO体系最高纪录。该研究以“Mitigating Nonradiative Recombination Loss Using Alkoxy-Substituted Third-Component Acceptor for 20.1%-Efficiency Organic Solar Cell”为题发表于Advanced Functional Materials。
技术亮点
1.烷氧基取代策略：OBO-4F保留L8-BO骨架，提升HOMO/LUMO能级，增强分子间作用力。
2.重组能降低：重组能从145 meV降至117 meV，抑制非辐射复合。
3.激子扩散长度提升：LD从40.72 nm增至49.66 nm，促进激子解离与电荷生成。
4.形态学优化：GIWAXS显示更小π-π堆叠距离和更高晶体相干长度。
研究意义
✅效率突破：D18/L8-BO体系首次突破20%，达20.1%，VOC领先。
✅非辐射复合抑制：ΔEnon-rad显著降低，EQEEL提升至1.5×10-4。
✅激子动力学优化：fs-TAS证实激子解离更快(τ1=1.11ps)，扩散更长(LD=49.66 nm)。
✅形态与能级协同：MD模拟显示能级分布更窄，态密度降低，载流子传输更高效。
深度精读
图1：分子设计和理论计算结果
该图通过示意图和分子结构展示了如何通过引入新型受体分子来增强结构刚性，从而抑制激子-振动耦合。图中清晰地呈现了L8-BO和OBO-4F的化学结构差异，重点突出了在噻吩并噻吩单元β位用烷氧基链取代烷基链的结构修饰。ONIOM模型的计算结果显示，在L8-BO薄膜中加入OBO-4F后，重组能从145 meV降至117 meV，这为后续实验中观察到的非辐射复合损失降低提供了理论依据。这种分子设计策略既保留了L8-BO骨架的高效特性，又通过精细调控分子堆积来优化器件性能。
图2：器件性能的全面表征
该图系统展示了不同器件结构的J-V曲线、EQE谱、态密度分析等关键性能参数。J-V曲线显示稀释三元器件获得了20.1%的最高效率，开路电压达到0.927V，创造了D18/L8-BO体系的新纪录。EQE谱表明所有器件在300-900nm范围内都具有良好的响应，其中稀释三元器件的积分电流密度与J-V测试结果高度吻合。态密度分析揭示稀释三元器件具有最低的陷阱态密度(0.387×10¹⁷ cm⁻³)，这解释了其优异的开路电压表现。此外，载流子迁移率测试显示稀释三元器件具有更平衡的电子和空穴迁移率(μₑ/μₕ=1.04)，这为其高填充因子(80.37%)提供了合理解释。
图3：激子动力学过程
通过飞秒瞬态吸收光谱技术，该图揭示了不同共混薄膜中的激子解离和传输机制。2D fs-TAS图像清晰地展示了在800nm激发下，稀释三元共混薄膜展现出更强的基态漂白信号和更长的激发态寿命(4.09μs)。动力学曲线分析表明，稀释三元体系具有最快的激子解离时间(τ₁=0.64ps)和最长的激子扩散长度(L_D=27.6nm)。这些优异的激子动力学特性源于OBO-4F的引入降低了重组能，从而减少了激子-振动耦合，为器件性能的提升提供了动力学基础。
图4：共混薄膜的形貌和结构特征
AFM高度图显示所有共混薄膜都具有均匀的表面形貌，其中稀释三元薄膜的均方根粗糙度(2.24nm)介于二元体系之间。GIWAXS图像表明所有薄膜都以face-on取向为主，但稀释三元薄膜展现出更紧密的π-π堆积(3.55Å)和更长的相干长度(21.34Å)。这些结构特征与分子动力学模拟结果一致，表明OBO-4F的引入优化了分子堆积秩序，增强了结晶性，从而提高了电荷传输效率。示意图直观地展示了加入OBO-4F后体系分子堆积行为的变化，为性能提升提供了形貌学解释。
图5：能级和激子生成分析
该图通过高斯拟合展示了不同体系中受体的HOMO/LUMO能级分布，发现稀释三元体系中OBO-4F和L8-BO的能级分布更窄，表明电子局域化增强和能量无序性降低。π-π堆积距离的聚类分析显示稀释三元体系具有最有利的face-on堆积构型。激子生成速率热图表明稀释三元体系在受体层表现出最佳的激子生成，同时在给体层也保持可观的激子生成，这种协同效应是其优异器件性能的关键。光学模拟结果与实验测量高度吻合，为理解器件工作机制提供了重要依据。
结论展望
该团队通过理性分子设计策略，成功开发出烷氧基链取代的OBO-4F第三组分受体，将其引入高效的D18/L8-BO体系构建稀释三元器件，有效降低了体系重组能并抑制了激子-振动耦合，从而显著抑制了非辐射复合损失。基于该策略的器件实现了20.1%的优异效率与0.927 V的高开路电压，其性能在D18/L8-BO体系中位居前列。这一第三组分分子设计策略为协同优化器件效率与开路电压提供了新途径，未来可拓展至更多高性能体系以验证其普适性。同时，可结合理论计算深入解析分子结构与重组能的构效关系，进一步精准调控激子动力学过程，并探索该策略在大面积模块制备中的应用，推动其产业化进程，有望为下一代高效有机太阳能电池的发展奠定坚实基础。
文献来源
Wang, J., Zhao, W., Bai, Y., Long, G., Kan, B. Mitigating Nonradiative Recombination Loss Using Alkoxy-Substituted Third-Component Acceptor for 20.1%-Efficiency Organic Solar Cell.Adv. Funct. Mater.2025, e14789.
DOI:10.1002/adfm.202514789.
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