论文概览
为提升非稠环电子受体在厚膜有机太阳能电池中的性能，北京师范大学薄志山、李翠红团队与青岛大学刘亚辉、卢浩等合作，创新性地设计并合成了一种具有不对称苯基烷基胺侧链的非稠环电子受体TT-Ph-C6。该研究通过引入不对称侧链，在保证良好溶解性的同时，构建了紧密的三维分子堆积网络，显著提升了电荷传输效率与激子扩散长度。基于TT-Ph-C6的器件在100 nm活性层厚度下实现了18.01%的优异效率，填充因子高达80.10%；即便在300 nm厚膜条件下，效率仍保持在14.64%，展现出卓越的厚度耐受性。该研究成果以“Asymmetric Side-Group Engineering of Nonfused Ring Electron Acceptors for High-Efficiency Thick-Film Organic Solar Cells”发表于Nano-Micro Letters上。
技术亮点
1. 不对称侧链设计：引入苯基烷基胺不对称侧链，提升溶解性并促进三维紧密堆积。
2. 强π-π堆积与三维网络：晶体中呈现双构象共存，形成3.21–3.38 Å的紧密π-π堆积与三维电子传输通道。
3. 高效激子与电荷管理：激子扩散长度达17.17 nm，空穴转移效率提升至91.2%，双分子复合显著抑制。
4.卓越厚膜性能：在200 nm与300 nm厚度下效率分别达15.18%与14.64%，为NFREA中最高水平之一。
研究意义
✅提出不对称侧链工程新策略：通过苯基烷基胺侧链实现溶解性与堆积紧密度的平衡。
✅构建高效三维传输网络：晶体结构中多模式堆积与非共键作用协同提升电荷迁移率。
✅实现NFREA厚膜性能突破：在300 nm厚度下效率仍达14.64%，推动OSC走向实用化。
✅揭示激子与电荷动力学机制：通过超快光谱明确其高激子扩散长度与快速空穴转移路径。
深度精读
通过X射线单晶衍射解析发现，TT-Ph-C6在晶胞中存在α与β两种构象，其外推噻吩单元与端基之间的扭转角极小（0.8°与4.7°），显示出高平面性与刚性。分子内存在强S⋯O（2.68–2.73 Å）与S⋯N（2.97–3.04 Å）非共价相互作用，进一步稳定分子构型。在堆积方面，TT-Ph-C6形成两种π-π堆积模式：Mode 1为α-α平行滑动堆积（dπ-π=3.21 Å），Mode 2为α-β堆积（dπ-π=3.38 Å），并伴随S⋯π相互作用（3.44–3.48 Å）。这些堆积模式共同构建了一个具有平行四边形孔洞（20.44×16.07 Ų）的三维电子传输网络，显著提升了电子迁移率与激子扩散能力。
利用飞秒瞬态吸收光谱研究了D18:TT-Ph-C6共混膜中的空穴转移过程。通过对600 nm处GSB信号的双指数拟合，得到τ₁=1.40 ps（激子解离）与τ₂=26.91 ps（激子扩散），均短于2BTh-2F体系（τ₁=2.23 ps，τ₂=35.12 ps），表明TT-Ph-C6具有更快的界面激子解离与扩散速率。此外，其空穴转移效率高达91.2%（2BTh-2F为86.3%）。通过激发密度依赖的荧光衰减分析，进一步计算出TT-Ph-C6的激子扩散长度达17.17 nm，显著优于2BTh-2F的13.36 nm，为其在厚膜中仍保持高JSC提供了关键保障。
GIWAXS测试显示，TT-Ph-C6纯膜与共混膜均呈现显著的面朝分子取向，其(010)衍射峰位于1.71 Å⁻¹（OOP方向），对应π-π堆积距离为3.67 Å，小于2BTh-2F的3.71 Å。通过Scherrer方程计算得到TT-Ph-C6纯膜的晶体相干长度（CCL）为18.03 Å，共混膜中进一步提升至24.30 Å，表明其具有更强且更有序的分子堆积。AFM与TEM图像显示，D18:TT-Ph-C6共混膜具有均匀的双连续互穿网络结构，RMS粗糙度为0.85 nm，相分离尺度适中，有利于激子解离与电荷收集
随着活性层厚度从100 nm增加至300 nm，TT-Ph-C6器件的JSC因光吸收增强而略有上升，FF虽有所下降，但仍显著高于对称参比体系。SCLC测试显示，在300 nm厚膜中，D18:TT-Ph-C6的空穴与电子迁移率分别高达29.85×10⁻⁴与43.83×10⁻⁴ cm²V⁻¹ s⁻¹，且μh/μe比接近1，显示出优异且平衡的电荷传输能力。此外，JSC与光强关系图中α值达0.997，说明其双分子复合被有效抑制，这是其在高厚度下仍保持高FF与JSC的重要原因。
结论展望
本研究通过不对称侧链工程成功构建了高性能非稠环电子受体TT-Ph-C6，实现了18.01%的效率与80.10%的填充因子，并在200–300 nm厚膜中仍保持领先性能。该工作不仅展示了不对称侧链在调控分子堆积与传输性能方面的巨大潜力，也为开发低成本、高性能、强厚度耐受性的非稠环受体提供了明确的设计方向。未来通过进一步优化侧链结构与共混形态，NFREA有望在柔性、大面积印刷器件中实现更广泛的应用。
文献来源
Li, D., Wei, N., Chen, YN. et al. Asymmetric Side-Group Engineering of Nonfused Ring Electron Acceptors for High-Efficiency Thick-Film Organic Solar Cells. Nano-Micro Lett. 18, 81 (2026).
https://doi.org/10.1007/s40820-025-01905-y
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