近日，我校生物与化学工程学院周二军团队在有机太阳能电池方向取得重要研究进展。相关研究成果以“Cleaving Fused-ring Conjugated Structure and Introducing Aggregation-Induced Emission Effect Enable over 20% Efficiency Organic Solar Cells”为题，在化学类顶级期刊《J. Am. Chem. Soc.》上发表。
论文第一作者为嘉兴大学/郑州大学联合培养博士研究生葛圣，通讯作者为嘉兴大学周二军研究员和李在房教授、郑州大学郭青副教授和南昌大学袁忠义教授。
有机太阳能电池（OSCs）因其结构多样性、轻量化、低成本和卓越的机械柔韧性，吸引了广泛的研究关注。近年来，OSCs的功率转换效率（PCE）已超过21%，这得益于非富勒烯受体（NFAs）和器件工程的持续发展。值得注意的是，NFAs设计通常偏向平面分子构象，以实现高效的π-π堆叠，从而促进有利的活性层形态和增强电荷传输。然而，分子堆积形成光激发高能量分子与非激发低能量分子之间的能量转移导致非辐射能量耗散，使得光致发光量子产率（PLQY）降低。这一现象称为聚集引导淬灭（ACQ），由于引入的非辐射能量损耗显著降低开路电压（VOC），从而阻碍了器件性能的进一步提升。因此，在抑制ACQ行为的同时保持高效的电荷传输对于高性能NFAs至关重要。
图1. 两种非富勒烯受体的化学结构，光学、电化学性质和堆叠属性
在这项研究中，我们团队创新性地提出并构建一种分子剪切策略。将喹喔啉共轭延展苝酰亚胺作为中心核A′单元的AQ-fNI，经过分子剪裁之后使得非共轭段获得相当大的构象自由度，得到AQ-NI，图1所示。这种结构改进有效地将发光行为从ACQ转变为聚集诱导发光（AIE）。最后再将两种新型NFAs进行了全面而系统的比较研究。
研究结果表明，通过分子裁剪得到的AQ-NI具有更高的PLQY，这有助于提升电致发光量子效率（EQEEL）并降低了非辐射能量损失。此外，非共轭片段的芳香族酰亚胺单元表现出卓越的电子传输特性，从而延长载流子寿命和增强电荷传输迁移率。重要的是，形成的三维结构还促进了活性层中垂直分布的均匀性，从而有利于提升JSC和FF。
最终，基于D18/AQ-NI器件实现较低的能量损失和0.960 V的电压。此外，AQ-NI独特的分子结构有利于形成活性层的垂直相分离，形成更平衡的载流子。这些特性共同产生了FF = 78.77%和JSC = 25.31 mA cm–2，通过逐步沉积法（Layer-by-layer）制备的二元器件中PCE为19.14%。当AQ-NI作为三元组分纳入D18:L8-BO体系时，PCE从19.39%提升至20.22%，是迄今为止AIE活性NFAs报告的最高值，图2所示。
图2. 两种体系的光物理性能，光伏性能和各种表征参数
这项研究结果表明，通过合理的分子剪裁策略实现AIE效应可以有效提升NFAs的PLQY，以获得较低的非辐射能量损失并提升开路电压，还能进一步优化活性层形态，实现了电荷传输与PLQY之间巧妙的平衡。这不仅为设计具有AIE效应的高性能NFAs提供了一种简单且有前景的策略，还建立了AIE效应与高性能OSCs之间的根本相关性。
全文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c22943
