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有機太陽能電池因具有輕質(zhì)、柔性、半透明等特性，在可穿戴電子、光伏建筑及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。近年來，非富勒烯受體快速發(fā)展推動了有機太陽能電池性能提升。對受體分子而言，其光電惰性的側(cè)鏈對調(diào)控共軛骨架自組裝及相分離具有重要作用。但是，常規(guī)烷基側(cè)鏈和芳基側(cè)鏈難以有效平衡材料的結(jié)晶性和組分間兼容性，導(dǎo)致相分離不理想。此前，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所科研人員在“側(cè)鏈外圍功能化”設(shè)計理念基礎(chǔ)上，在共軛骨架上的柔性鏈段外圍引入功能基團，協(xié)同電子效應(yīng)和位阻效應(yīng)，解決了結(jié)晶性與兼容性不平衡的矛盾。這一設(shè)計策略兼具普適性和多功能性。該團隊主要采用苯基作為外圍功能基團調(diào)控有機共軛分子的聚集態(tài)。苯基作為整體呈現(xiàn)弱電負(fù)性的共軛基團，更多發(fā)揮未阻作用，調(diào)節(jié)分子自組裝，并作為共軛平面參與分子間π-π作用構(gòu)建及空間超共軛效應(yīng)。為明確描述分子外圍強電子效應(yīng)的功能特性，該研究引入具有強電負(fù)性的苯并三氮唑（BTz）進行外圍功能調(diào)控，并基于一鍋法得到兩類苯并三氮唑異構(gòu)體。研究證實了外圍基團對分子堆積、給受體相互作用及共混形貌的多重影響，并揭示了外圍缺電子基團通過分子內(nèi)相互作用誘導(dǎo)主骨架電子云分布重排，進而調(diào)控異質(zhì)結(jié)能量景貌及非輻射能量損失的作用機制。研究發(fā)現(xiàn)，由于非輻射能量損失的差異，兩類外懸異構(gòu)化的受體分子YBTz-1和YBTz-2表現(xiàn)出明顯不同的光伏性能，分別達14.7%和19.1%。同時，YBTz-2受體的低非輻射能損特性使其在多組分器件中具有良好應(yīng)用。研究表明，將YBTz-2進行摻雜后，YBTz-2可在保持開路電壓基本不變的前提下，改善三組分異質(zhì)結(jié)的納米形貌，并提高器件短路電流密度和填充因子，實現(xiàn)19.9%的高轉(zhuǎn)換效率。進一步，研究揭示，外圍功能基團介導(dǎo)的受體結(jié)晶動力學(xué)和活性層相分離動力學(xué)同時優(yōu)化，可降低YBTz-2器件活性層的缺陷態(tài)密度和亞穩(wěn)態(tài)分布，并提高光伏電池的長期穩(wěn)定性，光伏器件在連續(xù)加熱工況下T80%超過2000小時。該研究拓展了外圍基團的功能特性，并為解決有機光伏的效率瓶頸-非輻射能量損失過高提供參考。近期，相關(guān)研究成果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院等的支持。論文鏈接分子外圍強電子效應(yīng)功能基團異構(gòu)化研究