分子骨架几何结构的微小变化影响有机太阳能电池中的分子间相互作用与性能。
本文香港理工大学罗正辉等人研究了三种异构小分子受体（NaO1、NaO2 和 NaO3），以揭示不同稠环构型如何调控分子堆积、电子耦合和薄膜形成。结构与光谱分析表明，线性稠合的 NaO1 形成紧密的三维堆积网络，在多方向上具有大而平衡的电子耦合（>24 meV），而弯曲型类似物则表现出过度结晶和相分离。原位光学测量显示，NaO1 在成膜过程中促进快速且连续的结构演化，形成平滑的形貌和均匀的相分布。这些结构与动态优势促进了高效的电荷生成与传输，同时降低了非辐射能量损失，最终在非卤化三元器件中实现了 20.07% 的效率。
我们的研究结果凸显了稠环异构化如何决定有机太阳能电池中结构-堆积-性能之间的关系。
研究亮点：
- 线性稠合结构实现高效三维电荷传输：研究发现线性稠合的 NaO1 能形成高度互联的 3D “织物状”堆积网络，具有均衡且较高的电子耦合常数（＞24 meV），利于三维电荷传输，二元器件效率达 19.11%。
- 原位揭示成膜动力学与形貌优势：通过原位吸收与 GIWAXS 表征，发现 NaO1 在旋涂过程中表现出快速、连续的光谱红移与结构演化，形成均匀纳米纤丝形貌（纤维宽度约 20 nm），利于激子解离与电荷提取。
- 三元体系突破 20% 效率并兼具高稳定性：将 NaO1 作为第三组分引入 PM6:L8-BO-C4 体系，构建非卤化三元器件，实现 20.07% 的效率、80.3% 的填充因子，并显著提升光、热稳定性，大面积模块（15.03 cm²）效率达 16.93%。
Zhang, J., Ma, R., Li, R. et al. Fused-ring isomerism modulates molecular packing and device performance in non-halogenated organic solar cells. Nat Commun (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-66573-3
