来源：钙钛矿人

文章介绍

具有大共轭刚性骨架的非富勒烯受体有利于促进低无序性并降低非辐射复合损失（ΔEnr），从而提高有机太阳能电池（OSCs）的开路电压（VOC）。然而，由于这些受体的过度聚集，常常会形成不利的活性层形貌，导致短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）较低，进而使得器件效率显著降低。

基于此，南开大学陈永胜、万相见、李晨曦等人报道了一种二聚体受体QD-1，其具有大共轭刚性骨架，展现出低能量无序性、小重组能以及减弱的电-光耦合，所有这些特性都有助于降低ΔEnr并提高电荷迁移率。得益于上述优势以及有利的纤维状形貌，基于PM6:QD-1的二元有机太阳能电池在VOC、JSC和FF方面表现出高且平衡的器件参数，从而实现了19.46%的高光电转换效率（PCE），这是利用二聚体受体的二元OSC中的最高值。通过将QD-1引入PM6:BTP-eC9体系，实现了20.19%的显著PCE，并且得益于活性层形貌的优化，所有三个光伏参数均得到改善。此外，基于该三元体系的组件（13.5cm²）实现了17.33%的高PCE。该论文近期以“A Large Conjugated Rigid Dimer Acceptor Enables 20.19% Efficiency in Organic Solar Cells”为题发表在顶级期刊Energy & Environmental Science上。

研究亮点：

高效二聚体受体设计：研究团队设计了一种具有大型共轭刚性骨架的二聚体受体QD-1，其表现出低能量无序性、小重组能和弱电子-声子耦合，这些特性有助于减少非辐射复合损失（ΔE_nr），从而显著提高有机太阳能电池（OSCs）的开路电压（Voc）。

二元器件效率突破：基于PM6:QD-1的二元OSC实现了19.46%的功率转换效率（PCE），创下二聚体受体二元器件的最高纪录。

三元体系效率提升：将QD-1引入PM6:BTP-eC9体系后，三元器件PCE进一步提升至20.19%，且形貌优化和热稳定性增强。

研究内容：

研究团队设计并合成了一种新型的二聚体受体QD-1，通过对其结构和性能的深入研究，发现其具有低能量无序性、小重组能和弱电子-声子耦合等优点。基于QD-1与给体材料PM6的组合，制备了二元OSC，并对其光电性能进行了测试和分析。此外，还将QD-1引入到PM6:BTP-eC9体系中，制备了三元OSC，并研究了其性能。

研究意义：

推动有机太阳能电池效率提升：该研究通过设计新型的二聚体受体QD-1，成功将有机太阳能电池的效率提升至20.19%，为实现更高效率的有机太阳能电池提供了新的思路和方法。

优化活性层形貌和稳定性：QD-1的引入不仅提高了器件效率，还优化了活性层的形貌，并显著增强了器件的热稳定性，这对于提高有机太阳能电池的实际应用价值具有重要意义。

图文信息   

图1：(a) 化合物 QD-1 的化学结构。(b) 通过DFT计算优化的 QD-1 分子构型（B3LYP/6–31G水平）。(c) QD-1 的静电势能等值面图。(d) QD-1薄膜的紫外-可见吸收光谱在640 nm波长下激发的光致发光（PL）光谱。(e) QD-1 薄膜的光致发光量子产率。(f) 基于 QD-1 的器件在吸收边处的FTPS-EQE。

图2：(a) 固态薄膜中 PM6、BTP-eC9 和 QD-1 的归一化吸收光谱。(b) 能级排列。(c) OSCs的J-V曲线。(d) EQE曲线及积分的Jsc。(e)基于 PM6:QD-1、PM6:BTP-eC9 和 PM6:BTP-eC9:QD-1 的 OSCs PCE统计直方图。(f) 二元 OSCs 的Jsc与FF的乘积随 PCE 的变化关系，数据点来源见表 S3。

图3：(a) Jph与Veff曲线，指示Pdiss和Pcoll。(b) Jsc随光强（Plight）的变化关系。(c) 二元和三元器件的瞬态光电流测量。(d) 通过单载流子器件获得的 PM6:QD-1、PM6:BTP-eC9 和 PM6:BTP-eC9:QD-1 混合物的电子和空穴迁移率。(e) PM6:QD-1、PM6:BTP-eC9 和 PM6:BTP-eC9:QD-1 器件在吸收边处的 FTPS-EQE。(f) Mott-Schottky 图（虚线表示线性拟合）。(g) 优化后的 OSCs 的相应EQEEL光谱。(h) 在氮气手套箱中 65℃下未封装的基于PM6:QD-1、PM6:BTP-eC9 和 PM6:BTP-eC9:QD-1 OSCs 的热稳定性测试。(i) PM6:BTP-eC9:QD-1 模组的J-V和P-V曲线。

图4：(a) 通过测量受体的 2216 cm⁻1信号获得的三种混合薄膜的AFM-IR相位图像，其中给体和受体区域分别用蓝色和红色标记。(b) 纤维直径的统计分布。(c) 三种混合薄膜的二维GIWAXS图。(d) 从二维 GIWAXS 图中提取的线切图。(e) 混合薄膜中 π-π 堆叠方向（010）的 d-间距和晶体相干长度（CCL）。

图5：(a) 在 800 nm 激光激发下，PM6:QD-1、PM6:BTP-eC9 和 PM6:BTP-eC9:QD-1 混合薄膜的fs瞬态吸收光谱的彩色二维图。(b) 在800 nm 激光激发下，PM6:QD-1、PM6:BTP-eC9和 PM6:BTP-eC9:QD-1 混合薄膜在指定延迟时间下的代表性fs瞬态吸收光谱。

总之，作者等人设计了一种新型的二聚体受体 QD-1，其具有大共轭刚性骨架。这种二聚体受体展现出小的重组能、低能量无序性以及弱的电子-光子耦合。凭借这些优势以及混合薄膜良好的纤维状形貌，基于 PM6:QD-1的二元OSCs实现了19.46%的PCE，这是利用二聚体受体的二元器件中的最高PCE。值得注意的是，当 QD-1 被引入PM6:BTP-eC9 混合体系中时，三元器件实现了20.19%的PCE，并展现出增强的热稳定性。这一改进归因于增强的激子解离、降低的电荷复合和非辐射复合损失（ΔEnr），以及相比二元器件更高的载流子迁移率。此外，与二元器件相比，三元有机太阳能电池具有更低的陷阱态密度和更优化的形貌，从而实现了PCE的提升，同时Voc、Jsc和FF均得到改善。最终，制备的有效面积为13.5 cm²的大面积组件，并实现了17.33%的高PCE，处于大面积组件的领先水平。我们的工作展示了大共轭刚性二聚体受体在实现高效率和高稳定性OSCs方面的显著潜力，并将激发对这类大共轭刚性骨架在OSCs中应用的进一步创新探索。

器件制备

器件结构：

ITO/2PACz/active layer/PNDIT-F3N/Ag

1.洗干净的ITO玻璃，臭氧15 min，2PACz 3000rpm 20s旋涂，100℃退火5 min；

2. 总浓度13.2 mg/mL PM6: QD-1 (1:1.2 w/w)+0.3% DIO溶于CF，PM6: BTP-eC9(1:1.2 w/w)，PM6: BTP-eC9: QD-1 (1:1:0.2)，添加80wt%TCB(D和A的总质量)溶解在CF中，室温下搅拌过夜，1800rpm 30s旋涂，100℃退火5 min；

3. 1 mg/mL PNDIT-F3N MeOH+0.5%v/v冰醋酸，3000rpm 20s旋涂；

4.蒸镀150 nm Ag.

模组结构：

glass/ITO/PEDOT:PSS/PM6:BTP-eC9:QD-1/PNDIT-F3N/Ag

1. 洗干净的ITO玻璃，臭氧15 min，PEDOT:PSS 4300rpm 20s旋涂，160℃退火15 min；

2.其他步骤与上述一致。

^文章信息

W. Shi, Q. Han, W. Zhao, R. Wang, L. Li, G. Song, X. Chen, G. Long, Z. Yao, Y. Lu, C. Li, X. Wan and Y. Chen, Energy Environ. Sci., A Large Conjugated Rigid Dimer Acceptor Enables 20.19% Efficiency in Organic Solar Cells，2025, DOI: 10.1039/D5EE00878F.

DOI: 10.1039/D5EE00878F