论文概览
针对有机太阳能电池中非辐射能量损失（∆Eₙᵣ）大、制约开路电压（VOC）提升，同时又需保持高短路电流（JSC）与填充因子（FF）的关键难题，南开大学陈永胜、万相见团队与苏州大学陈先凯等合作，创新性地设计并合成了两种具有中心核扭曲构型的非富勒烯受体：a-Th2Cl 与 a-Th2Br。该研究通过在Y系列受体中心核引入单键连接的卤化噻吩侧基，构建出可控扭曲分子构象，有效抑制了聚集导致的荧光淬灭（ACQ），显著提升了薄膜荧光量子产率（PLQY），从而在不牺牲JSC与FF的前提下大幅降低非辐射能量损失。最终，基于PM6:a-Th2Br的二元有机太阳能电池实现了20.60%的认证效率（VOC=0.914 V，JSC=27.67 mA/cm²，FF=81.47%），并展现出优异的器件稳定性。该成果以“Central Core-Twisted Conformation Acceptors Achieving 20.60% Efficiency via Suppression of Nonradiative Losses without Sacrificing Current and Fill Factor in Binary Organic Solar Cells”为题发表于JACS上。
技术亮点
1. 扭曲中心核设计：单键连接卤化噻吩单元，形成~9°–21°可控二面角，抑制过度聚集，提升PLQY。
2. J-聚集主导堆积：a-Th2Br单晶显示三种π–π堆积模式，均具J-聚集特征，有效缓解ACQ效应。
3. 低非辐射损失：a-Th2Br的∆Eₙᵣ仅为0.194 eV，显著低于基准受体L8-BO（0.229 eV）。
4.高器件性能与稳定性：实现20.60%效率，VOC、JSC、FF同步提升，700小时老化后仍保持93%初始效率。
研究意义
✅打破效率–电压损失权衡：首次在保持高JSC与FF的同时，将∆Eₙᵣ降至0.194 eV，实现“三重提升”。
✅提出扭曲核设计新策略：通过单键侧链修饰调控分子堆积，兼顾高发光与高迁移率。
✅建立构效关系理论框架：结合晶体学、光谱与模拟，阐明J-聚集对PLQY与能量损失的影响机制。
✅推动OSC迈向产业化：器件在热、光、MPP等多应力下保持良好稳定性，具备商业化潜力。
深度精读
通过X射线单晶衍射解析a-Th2Br结构，发现其中心核呈现明显非平面构型（二面角21.05°），侧链噻吩与吡嗪单元也存在9.26°扭转。该扭曲结构有效抑制了强H-聚集，转而形成三种J-主导的堆积模式：双端对中心（dual E/C）、端对端（E/E）与双端对桥（dual E/b），对应π–π距离分别为3.610 Å、3.460 Å与3.341 Å。这种有序二维网络兼具高分子堆积密度（61.9%）与高发光效率，是实现高PLQY与低∆Eₙᵣ的结构基础。
薄膜PLQY测试显示，a-Th2Br达9.65%，远高于L8-BO（4.40%），且从溶液到薄膜的PLQY下降幅度仅为53.38%（L8-BO为76.18%），说明ACQ效应被显著抑制。瞬态荧光寿命（TRPL）与温度依赖PL分析进一步揭示，a-Th2Br具有更高的辐射复合速率（kᵣ）与更低的电子-声子耦合强度（γLO=0.58 eV），表明其激发态更稳定，非辐射通道被有效压制。
通过分子动力学模拟结合TDDFT计算，比较a-Th2Br与L8-BO在薄膜中的激发态行为。结果显示，a-Th2Br二聚体的S₁态电荷转移特征比例较低（84.82% vs L8-BO 90.01%），而荧光振荡强度（fₒₛc）更高（0.30 vs 0.24），说明其激发态更接近局域激发态，有利于辐射发光，从而提升kᵣ与PLQY，为低∆Eₙᵣ提供理论依据。
J-V与EQE：a-Th2Br器件实现VOC=0.914 V，JSC=27.67 mA/cm²，FF=81.47%，PCE=20.60%（认证20.05%），EQE积分JSC与实测值高度吻合。
能量损失拆解：a-Th2Br的∆Eₙᵣ仅为0.194 eV，总能量损失低至0.525 eV，为目前报道的最低水平之一。
形貌与堆积：AFM-IR与GIWAXS显示，a-Th2Br共混膜具有更清晰的给体/受体相分离、更小的纤维尺寸（14.7 nm）与更高的结晶相干长度（CCL=31.23 Å），有利于激子分离与电荷传输。
瞬态吸收光谱：a-Th2Br共混膜中激子解离时间（τ₁=0.42 ps）与扩散时间（τ₂=8.75 ps）更短，i-Ex态寿命更长（35.37 ps），说明其界面电荷生成与传输更高效，复合损失更低。
结论展望
本研究通过中心核扭曲构型受体设计，成功实现了20.60%的高效率与0.194 eV的低非辐射损失，突破了有机太阳能电池中“高发光必低迁移”的传统困境。该工作不仅为高发光–高迁移协同调控提供了新思路，也为今后开发更低损失、更高效率的有机光伏材料指明了方向。随着分子工程的进一步优化与大面积制备工艺的成熟，OSC有望在效率、稳定性与成本之间找到平衡，迈向商业化应用的新阶段。
文献来源
Wang, R.; Si, X.; Mei, L.; et al. Central Core-Twisted Conformation Acceptors Achieving 20.60% Efficiency via Suppression of Nonradiative Losses without Sacrificing Current and Fill Factor in Binary Organic Solar Cells.J. Am. Chem. Soc. 2025.
https://doi.org/10.1021/jacs.5c13302
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