论文概览
不对称分子设计是提升非富勒烯受体（NFA）性能的有效策略之一，但以往研究多集中于横向（左右）不对称性。大阪大学Akinori Saeki团队创新性地提出了双面不对称（bifacial）的手性分子设计策略，合成并研究了基于茚并二噻吩（IDT）核心的手性NFA分子：(S,S)-IE4F与(R,R)-IE4F。该设计不仅在垂直方向引入偶极矩，还赋予分子手性，首次在有机太阳能电池（OSC）的体异质结中实现了显著的手性诱导自旋选择性（CISS）效应（自旋极化率高达~70%）。基于纯手性分子构筑的OSC器件取得了8.17%的光电转换效率，是其非手性异构体（meso-IE4F，效率2.36%）的三倍以上。该研究以“Chiral Bifacial Non-Fullerene Acceptors with Chirality-Induced Spin Selectivity: A Homochiral Strategy to Improve Organic Solar Cell Performance”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》。
技术亮点
1.手性双面分子设计：在IDT核心的桥连sp³碳上分别引入亲水性寡聚乙二醇链与疏水性苯基，构建具有显著面外偶极矩（1.7 Debye）和固有手性的双面分子结构。
2.CISS效应首次应用于OSC：纯手性受体(S,S)-IE4F和(R,R)-IE4F及其与PBDB-T的共混薄膜均表现出强烈的CISS效应（自旋极化率分别为~70%和~50%），为通过自旋操控抑制电荷复合提供了新路径。
3. 溶解性与堆积优化：双面手性分子在氯苯中的溶解度（~30 mg mL⁻¹）较非双面异构体（meso-IE4F，~6.3 mg mL⁻¹）提升近5倍，并在薄膜中呈现出更优的面朝π-π堆积取向，利于电荷传输。
研究意义
✅手性策略效果显著：纯手性分子(S,S)-IE4F和(R,R)-IE4F将器件效率提升至约8%，是对照非手性分子性能的3倍以上。
✅机理突破：首次在OSC体异质结中证实CISS效应，揭示了分子手性—自旋选择性—器件性能之间的内在联系，为有机光电器件引入自旋自由度开辟了新方向。
✅设计范式新颖：“双面手性”分子设计策略，为解决传统NFA溶解度、堆积和电荷分离等关键问题提供了全新思路，有望推动高性能手性光伏材料的发展。
深度精读
图1：分子结构设计与性能对比图
该图系统展示了传统双边不对称NFA、IDT基NFA及本工作设计的双面不对称手性NFA的分子结构，并对比了四种异构体与PBDB-T共混器件的能量转换效率。图中清晰呈现了(S,S)-IE4F和(R,R)-IE4F的双面手性结构特征，以及meso-IE4F的中心对称构型；性能数据表明手性异构体的PCE（最高达8.17%）显著高于meso-IE4F（2.36%），凸显了手性结构在提升器件效率中的关键作用。
图2：合成路线与分子构建策略
此合成路线图详细描绘了四种IE4F异构体（包括meso、rac及手性纯(S,S)/(R,R)构型）的逐步构建过程，关键步骤涉及立体化学明确的IDT核心单元功能化与Stille偶联环化。通过手性HPLC分离实现了对映体纯物质的制备，为后续研究提供了结构精准的分子基础，体现了合成设计中对立体控制的重视。
图3：光谱性质与能级结构表征
该图通过紫外-可见吸收光谱、圆二色光谱及能级图全面比较了四种IE4F异构体在溶液、薄膜及共混膜中的光物理行为。手性异构体在薄膜状态下显示出明显的双信号CD响应，表明其手性构象在聚集态中保持；能级结构显示所有异构体均与PBDB-T形成适宜的能级偏移，为高效电荷分离提供了前提。
图4：手性诱导自旋选择特性
此图揭示了(S,S)-IE4F和(R,R)-IE4F在薄膜及共混膜中显著的手性诱导自旋选择效应，其自旋极化率分别达到约70%和50%。自旋相关的电流-电压曲线明确显示了对映体特异性的自旋传输偏好，为利用手性结构调控自旋相关电荷重组、提升器件性能提供了直接证据。
图5：器件性能与光电响应分析
该图对比了基于不同IE4F异构体的有机太阳能电池的电流密度-电压曲线、外量子效率谱及光强依赖特性。手性纯器件展现出更高的短路电流密度、开路电压和填充因子，其EQE响应在宽光谱范围内显著增强；光强指数接近1表明双分子重组得到有效抑制，电荷提取概率提升至97%以上。
图6：分子堆积与薄膜形貌结构
通过二维掠入射X射线散射图像，该图揭示了异构体在薄膜中的分子取向与堆积差异。手性异构体呈现面朝外π-π堆积，有利于垂直电荷传输；而meso-IE4F则以边朝外排列为主且存在随机取向微晶，共混膜中手性体系形成更有序的互穿网络结构，为高性能器件提供了形貌基础。
图7：共混膜表面形貌与相分离
原子力显微镜高度图像直观展示了共混膜的表面形貌，meso-IE4F共混膜存在大尺寸聚集体且表面粗糙度高，而手性异构体共混膜则形成纳米尺度相分离的均匀网络结构。这种优化的形貌有利于激子解离与电荷传输，直接关联到器件填充因子和电流密度的提升。
图8：电荷动力学与载流子迁移特性
该图通过光致发光光谱、载流子迁移率及瞬态微波电导测量揭示了共混膜中的电荷行为。手性体系共混膜表现出99%以上的PL猝灭效率，载流子迁移率更平衡且寿命延长至微秒级，证实了其高效的激子解离、传输与收集能力，这些特性共同支撑了器件的高性能输出。
结论展望
本研究通过精巧的“双面手性”分子设计，成功将手性诱导自旋选择性（CISS）效应引入有机太阳能电池，并显著提升了器件性能。这项工作不仅证明了分子手性可作为调控NFA溶解性、堆积行为和电荷动力学的有效工具，更首次将CISS这一新兴物理现象与光伏性能直接关联，为开发兼具高效率和自旋功能的新型有机光电器件奠定了坚实基础。
文献来源
Li, S., Ishiwari, F., Li, S., Yakiyama, Y., Saeki, A. Chiral Bifacial Non-Fullerene Acceptors with Chirality-Induced Spin Selectivity: A Homochiral Strategy to Improve Organic Solar Cell Performance. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e18505.
DOI: 10.1002/anie.202518505.
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