中国科学院宁波材料所葛子义&陈振宇&宋伟最新EES—巨分子受体中柔性连接链的蝴蝶效应

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中国科学院宁波材料所葛子义&陈振宇&宋伟最新EES—巨分子受体中柔性连接链的蝴蝶效应


SE000520 宁波材料所在柔性有机太阳能电池研究方面取得新进展----中国科学院上海分院

SE000521 Butterfly-effect of Flexible Linker in Giant-molecule Acceptor_ Optimized Crystallization and Aggregation for Enhancing Mechanical Durability and Approaching 19_ Efficiency in Binary Organic Solar Cells - Energy & Environmental Science

中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义研究员团队在有机太阳能电池（OSCs）领域取得重要进展，通过分子结构设计同时提升了器件效率和稳定性。相关成果分为两部分发表在英国皇家化学会期刊《Energy & Environmental Science》：

I. 背景

I. 1. OSCs优势

I. 1. 1. 柔性、半透明、轻质、可溶液加工（源于有机π-共轭材料）。

I. 1. 2. 小分子受体（SMAs）使效率（PCE）突破20%，但**低玻璃化转变温度（Tg）**导致光/热应力下分子聚集，稳定性差。

I. 1. 3. 巨分子受体（GMAs）的潜力
结合SMAs的高效与聚合物受体的稳定性，2022年后成为研究热点。

II. 第一篇研究：硒原子调控的巨分子受体

II.1. 分子设计与合成

II.1.1. 合成4种GMAs：GMA-SSS、GMA-SSeS、GMA-SeSSe、GMA-SeSeSe，通过硒（Se）原子取代硫（S）调控分子结构（图1a）。

II.1.2. GMA-SSeS平面性最优（二面角最小）。

II.2. 关键性能发现

II.2.1. 光学/电化学性能：
GMA-SeSSe和GMA-SeSeSe因分子内电荷转移增强，吸收峰红移30 nm。

II.2.2. 光伏性能：
PM6:GMA-SSeS器件效率最高（PCE=19.37%，VOC=0.917 V），优于其他GMAs。
优势机制：激子解离高效、电荷传输平衡、相分离形貌优、电压损失低（ΔE3=0.246 eV）。

II.2.3. 稳定性突破：
720小时存储后保持94%初始PCE；100℃下T80寿命达5600小时。

II.3. 分子结构-性能关系

硒原子调控可优化分子堆叠和混溶能力，实现高效稳定OSCs。

III. 第二篇研究：柔性连接链巨分子受体

III.1. 分子设计创新

设计侧链含柔性连接链的GMAs（DSY-C4至DSY-C10），形成蝴蝶状构象。
DSY-C10柔性链最长，显著提升结晶性和聚集行为。

III.2. 性能突破

III.2.1. 效率与机械性能协同提升：

III.2.2. DSY-C10基二元器件：PCE=18.89%，裂纹起始应变（COS）=9.95%（图未展示）。

III.2.3. 三元体系（PM6:BTP-eC9:DSY-C10）效率达19.91%（认证19.39%）。

III.2.4. 机制：长柔性链增强给受体相互作用，机械性能接近聚合物受体（如PT-IY）。

III.3. 科学意义

首次通过柔性连接链设计打破效率-机械性能的权衡，为柔性OSCs商业化提供新思路。

IV. 两篇研究的共同贡献

IV.1. 分子设计策略

IV.1.1. 硒原子调控（精确控制分子平面性） vs. 柔性连接链（优化结晶与机械性能）。

IV.1.2. 性能里程碑

二元OSCs效率均接近19%，同时解决稳定性或机械耐久性问题。

IV.1.3. 应用前景

为可溶液加工、柔性光电器件提供可扩展的材料设计范式。

V. 论文信息

标题1：Well-regulated structure-featuring giant-molecule acceptors enable long-term stability and high-performance binary organic solar cells
期刊：Energy Environ. Sci., 2024, DOI: 10.1039/D4EE03754E

标题2：Butterfly-effect of Flexible Linker in Giant-molecule Acceptor: Optimized Crystallization and Aggregation for Enhancing Mechanical Durability and Approaching 19% Efficiency in Binary Organic Solar Cells
期刊：Energy Environ. Sci.

VI. 核心结论

IV.1.1：硒原子位置与数量影响分子平面性（GMA-SSeS最优）。

IV.1.2：GMAs的光学/堆叠特性与硒取代直接相关。

IV.1.3：GMA-SSeS器件效率与均一性最佳。

IV.1.5：GMA-SSeS器件稳定性显著优于其他GMAs。