Angew. Chem. ：中心共轭拓展受体的电子构型调控实现高性能有机光伏电池

目前，基于非富勒烯受体的有机光伏电池已经实现超过19%的光电转换效率（PCE），极具发展前景。最近，研究者发现，通过中心共轭拓展的分子设计策略，不但能优化受体能级、减少器件非辐射能量损失，还能增强分子间堆积、促进电荷传输，从而提高器件性能。然而，拓展单元的结构与嵌入方式对受体器件性能的影响还需进一步研究与探明。

基于上述问题，在前期CH系列分子的研究基础上 (Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209580; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202307962; Sci. China Chem. 2022, 65, 1362-1373; Energy Environ. Sci. 2022, 15, 3519-3533)，南开大学陈永胜教授、阚斌研究员和武汉大学的钟成副教授合作，设计合成了三个利用缺电子单元噻二唑进行共轭扩展的CH系列受体（CH-BQ、CH-iBQ和CH-BBQ），并通过实验与分子模拟系统研究了它们的光电性质和器件性能。其中， CH-BQ和CH-iBQ仅在中心单元苯并噻二唑的共轭拓展方向上有所不同，CH-BBQ则嵌入了苯并二噻二唑单元。

在之前的合成方法上，本文进一步开发了“氧化-水解”两步法将二胺转化为稳定二酮中间体的新策略，使得今后受体分子的中心修饰更加便利。与CH-BQ相比，CH-iBQ表现出更深的能级、更强的分子间π-π相互作用与结晶性，与聚合物给体PM6的互溶性也得到改善，从而在混合膜中表现出优异的纤维纳米互穿网络结构形态， PM6:CH-iBQ二元器件的PCE达到17.97%（V_OC = 0.875 V，J_SC = 26.04 mA cm⁻²，FF = 78.5%），显著高于PM6:CH-BQ二元器件 (PCE = 12.85%，V_OC = 0.84 V, J_SC = 23.61 mA cm⁻², FF = 64.8%)。而嵌入苯并二噻二唑的受体CH-BBQ有着最深的能级结构、最强的分子结晶性以及最佳的共混膜形貌，共混膜的电荷传输得到进一步改善，受体与器件的稳定性相较其他两个受体也得到了提升。基于PM6:CH-BBQ的二元器件的PCE达到18.19%，PM6:CH-BBQ:BO-4Cl三元器件的PCE更是提升至18.94%。

此外，作者还利用密度泛函理论(DFT)与分子动力学(MD)的协同模拟，对此系列受体之间的本征性质和器件性能差异进行了深入探讨，发现此类分子的中心共轭拓展方式与结构对受体的电子构型以及导致的给受体相互作用方式和器件性能有着较大的影响，为今后的分子设计提供了一定的指导。

综上所述，作者合成了一系列利用缺电子噻二唑单元来进行中心共轭拓展的新型受体，并通过实验测试和理论模拟两种方法系统深入地研究了共轭中心对受体自身特性和器件性能的影响，为此类分子的进一步结构修饰和性能提升提供了新的指导策略。

论文信息

Electronic Configuration Tuning of Centrally Extended Non-Fullerene Acceptors Enabling Organic Solar Cells with Efficiency Approaching 19%

Tainan Duan (段泰男), Wanying Feng, Yulu Li, Zhixiang Li, Zhe Zhang, Huazhe Liang, Hongbin Chen, Cheng Zhong (钟成), Seonghun Jeong, Changduk Yang, Shanshan Chen, Shirong Lu, Oleg A. Rakitin, Chenxi Li, Xiangjian Wan, Bin Kan (阚斌), Yongsheng Chen (陈永胜)

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202308832