论文概览

非富勒烯受体（NFAs）中非辐射能量损失与高效电荷传输之间的固有矛盾长期制约有机太阳能电池（OSCs）开路电压和效率的同步提升。针对这一难题，深圳大学罗正辉团队创新提出位阻解锁与氯化协同分子设计策略，基于二苯并[b,f]氮杂䓬（DBA）修饰的喹喔啉核心，构建了Z1–Z4系列A‑DA1D‑A型受体。其中Z4通过逐步骨架解锁（全环锁→半锁→开环）及末端氯化，单晶结构显示其核心二面角从0°增至71°，有效抑制了不利的核中心聚集，诱导出多维π‑π电子耦合网络（端基/端基耦合高达79 meV）。该策略将激子扩散长度从29.2 nm提升至40.2 nm，同时将单分子复合速率显著抑制。最终D18:Z4二元器件实现20.28%冠军效率（认证19.99%），开路电压高达0.95 V，非辐射能量损失保持在0.20 eV以下，成功实现了低电压损失与高效电荷输运的协同优化。该研究以“Synergistic Steric Hindrance and Chlorination Enable Efficient Binary Organic Solar Cells with Low Energy Loss”为题发表于顶级期刊Nature Communications。

技术亮点

1. 逐级骨架解锁与氯化精准调控：通过设计全环锁（Z1）、半锁（Z2）、开环（Z3）及氯化开环（Z4）四个分子，单晶XRD表明核心二面角从0°逐步增至77°/71°，系统调控了分子堆积几何，从端基/核臂主导转向滑移端基/端基堆积，氯化进一步通过Cl··S和Cl··H非共价键（3.55/3.03 Å）稳定三维网络。
2. 电子耦合增强与激子离域化：理论计算显示Z4在端基/端基堆积模式下电子耦合常数高达79 meV（Z1仅~4 meV），GIWAXS证实Z4薄膜π‑π相干长度增至38 Å（Z1为22 Å），激子扩散长度从29.2 nm延长至40.2 nm，瞬态吸收揭示单分子复合速率显著降低，激子寿命延长。
3. 低非辐射损失与高Voc协同：尽管Z4非辐射损失（ΔE₃）略高于Z1–Z3（因电荷态重组能略有增加），但得益于更强激子离域和有序堆积，D18:Z4器件Voc仍达0.95 V，同时Jsc（27.02 mA/cm²）和FF（79.01%）大幅提升，实现PCE突破20%。重组能分析表明Z4的电荷态重组能（λ₀→₋ = 0.068 eV）仍低于标杆L8‑BO（0.071 eV），证明其低电压损失特性。

研究意义

✅效率突破：D18:Z4二元器件PCE达20.28%（认证19.99%），Voc高达0.95 V，在PCE>19%且Voc>0.90 V的二元OSCs中极为罕见，为高电压、高效率协同设计树立新标杆。

✅机制突破：首次从单晶、GIWAXS、电子耦合计算到激子动力学，完整建立了“骨架解锁/氯化–堆积几何–电子耦合–激子离域–非辐射损失”全链条构效关系，揭示了通过位阻调控堆积而非单纯平面化可同时降低复合损失和维持高效输运。

✅普适性验证：该策略在PM6体系中同样展现一致性能提升（PM6:Z4效率16.54% vs Z1的10.25%），且Z4基器件热稳定性（240 h保持84%）和光稳定性（330 h保持79%）均显著优于Z1及参照体系，证明位阻/氯化协同设计的广泛适用性。

深度精读

该图展示基于二苯并[b,f]氮杂䓬（DBA）单元的A-DA1D-A型小分子受体Z1-Z4的分子设计理念与合成路线。通过将喹喔啉与含氮DBA单元整合，并采用全环锁定、半锁定和开环策略，在给体核上引入面外骨架位阻，从而调控A1核心几何形状及其分子间接触，其中Z4在Z3基础上进一步引入氯化。这种系统化结构调制为精确调控受体中间电子耦合和激子离域提供了手段，是连接分子结构、堆积行为与光伏性能的起点。

该图通过单晶X射线衍射揭示了Z1-Z4的晶体结构与堆积演化。四分子骨架均高度平面化，但喹喔啉核与上苯环二面角从Z1的0°逐步增至Z3的77°、Z4的71°，面外位阻显著抑制了过度的核中心π-π堆积。Z4的氯化进一步强化了堆积行为，展现出最短的E/E π-π距离3.22 Å，并形成Cl···S=3.55 Å和Cl···H=3.03 Å等非共价相互作用，稳定了分子取向，增强了三维电子耦合通路，为高效各向异性电荷传输奠定基础。

该图通过GIWAXS、瞬态吸收光谱（TA）及光学/电化学测试揭示Z1-Z4薄膜的堆积与激子行为。GIWAXS显示从Z1到Z4，面内层状峰向高q偏移（层间距从19.65收缩至16.97 Å），相干长度从约70 Å增至94 Å，面外π-π堆积有序度也显著提升。TA动力学表明Z4衰减最慢，单分子复合最小；激子扩散长度从Z1的29.2 nm逐步增至Z4的40.2 nm。此外，溶液与薄膜吸收、循环伏安及理论计算共同证实，位阻开环与氯化在基本保持前沿轨道能级的同时，实现了波函数分布与分子间耦合的系统性优化。

该图展示D18:Z1-Z4二元器件的光伏性能与物理机理。器件结构为ITO/2-PACZ/D18:受体/PNDIT-F3N/Ag，Z4基器件实现20.28%的冠军PCE（认证19.99%），Voc达0.95 V，Jsc升至27.02 mA cm⁻²，FF接近79%。TPC/TPV显示Z4提取时间最短、载流子寿命最长；EIS表明串联电阻从Z1的26.94 Ω降至Z4的15.43 Ω，复合电阻显著降低；DLTS测得陷阱态密度从Z1的2.067×10¹⁵降至Z4的1.758×10¹⁵ cm⁻³。非辐射能量损失ΔE₃虽略高于Z1-Z3但仍低于L8-BO，使Z4在低压损与高效电荷传输间取得协同。

该图通过原位吸收、GIWAXS和迁移率测试揭示D18:Z1-Z4共混膜的形貌演化。原位吸收表明Z4结晶最快，主结晶步骤约770 ms完成，后续弛豫约140 ms；GIWAXS显示共混膜面外π-π相干长度从Z1的约19 Å大幅提升至Z4的约51 Å。相应的空穴迁移率从1.30×10⁻⁴增至1.96×10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹，电子迁移率亦有显著提高。更快的结晶动力学、更长的π-π相干长度与更优的电荷迁移率相互印证，为Z4器件的高填充因子与高电流密度提供了直接的形貌与传输基础。

该图利用光诱导力显微镜（PiFM）与飞秒瞬态吸收（fs-TA）揭示共混膜的纳米形貌与界面激子动力学。PiFM显示受体富集纤维平均宽度从D18:Z1的13.5 nm逐步增至D18:Z4的20.7 nm，Z3和Z4基共混膜中纤维分布更集中、连续性更好。fs-TA表明，D18:Z1的界面激子解离较慢（τ₁=4.33 ps），而Z2-Z4的τ₁均缩短至约1.5-1.8 ps，τ₂也从62.34 ps大幅缩短至14.34 ps。更连续的纤维网络与更快的空穴转移动力学协同作用，使Z4实现最有效的界面电荷生成与最优异的光伏性能。

结论展望

该工作通过系统性的“骨架解锁+氯化”协同分子设计，在DBA修饰的喹喔啉核心受体Z系列中实现了非辐射能量损失与电荷输运能力的精准平衡。从Z1到Z4，逐步增大核心二面角（0°→71°）抑制不利核堆积，诱导出以端基/端基为主的滑移堆积模式，氯化进一步通过非共价键稳定三维网络，使电子耦合常数从~4 meV跃升至79 meV，激子扩散长度从29.2 nm延长至40.2 nm，单分子复合显著抑制。最终D18:Z4二元器件取得20.28%效率（认证19.99%），Voc高达0.95 V，FF达79%，在PCE>19%且Voc>0.90 V的二元OSCs中名列前茅。该工作建立了“位阻调控–堆积几何–电子耦合–激子离域–器件性能”的完整构效链条，为低电压损失、高效率有机光伏材料设计提供了可推广的通用策略。

文献来源

Zhang, J., Sun, K., Ran, G. et al. Synergistic Steric Hindrance and Chlorination Enable Efficient Binary Organic Solar Cells with Low Energy Loss. Nat. Commun. (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-76217-9. 仅用于学术分享，如有侵权，请联系删除。