近日，我院有机化学系党支部党员邹应萍教授及其团队相继在国际知名期刊《Joule》和《Advanced Materials》上发表了关于有机太阳能电池材料设计及形貌调控的最新研究成果。

有机太阳能电池是一种以有机高分子/小分子材料作为光吸收活性层的新型太阳能电池。其材料结构多样、柔性轻便、可大面积印刷制备及半透明性，从而具有无机太阳能电池所不具备的许多优良特性。除满足人们电力需求以外，在其他如便携式电子产品、光伏建筑和国防等领域都具有广阔的应用前景。然而，制约有机太阳能电池商业应用的瓶颈在于其光电转换效率偏低。因此，发展高效率、低成本、可溶液加工的活性层材料仍然是有机太阳能电池领域目前研究的首要目标。

鉴于此，邹应萍教授团队在非富勒烯材料设计方面首创性地提出了受体-给体受体给体-受体（A-DA’D-A）型分子策略，可显著拓宽材料的吸收光谱、提高电子迁移率并减少开路电压损失。通过匹配合适的聚合物给体材料，多次刷新了有机太阳能电池效率的世界权威认证纪录。其中，极为重要的是今年在《Joule》上（Joule, 2019, 3,1140-1151）发表的明星分子Y6，实现单结有机太阳能电池效率首次突破15%。此工作在短期内正面引用高达318次，位列2019年度太阳能电池领域已发表论文引用桂冠。基于此，邹应萍教授团队与香港科技大学颜河教授团队合作，进一步优化Y6分子，调控结晶性及形貌，以期获得更优异的光伏性能。在此工作中，分别使用3号/ 4号位分叉支链来替代Y6中2号位分叉支链，进而获得非富勒烯受体N3和N4。通过掠入广角X射线衍射（GIWAXS）及共振软X射线衍射（RSoXS）测试，发现基于N3的非富勒烯受体分子具有比Y6更加优良的共混膜形貌及相尺寸大小。以N3分子作为受体制备的器件，经优化获得了16.42%的权威验证效率。

相关研究在Cell旗下能源旗舰期刊《焦耳》上正式发表(Joule,2019,3，DOI:10.1016/j.joule.2019.09.010)，论文题目为“Alkyl Chain Tuning of Small Molecule Acceptors for Efficient Organic Solar Cells”论文第一作者为博士生蒋奎、博士生魏擎亚及Joshua Yuk Lin Lai。通讯作者为中南大学邹应萍教授和香港科技大学颜河教授，中南大学为第一单位和通讯单位。

近期，有机太阳能电池材料方面的工作主要集中在开发具有良好吸收的近红外A-DA’D-A型非富勒烯受体。其中，较为常用的设计策略是将强吸电子氟原子引入A-DA’D-A型非富勒烯受体的端基，从而可有效提升分子内电荷转移效应（ICT）。然而，氟原子引入势必会增加目标分子的电子亲和势，导致与聚合物给体能级不匹配；并且会改变给/受体分子间相互作用力从而影响活性层的形貌。因此，要综合考虑拓宽吸收、活性层形貌以及能级匹配，合理地选择含氟给/受体的组合，从而制备高效有机太阳能电池。

基于此，中南大邹应萍教授团队与加州大学洛杉矶分校的杨阳教授团队及中国科学院化学研究所易院平研究员团队合作，设计并合成了一个吸收带边在953nm的新型A-DA’D-A型非富勒烯受体Y1-4F（Y3）。为了系统研究氟原子对活性层形貌和给/受体能级的调控作用，给研究者提供普适性的给受体选择规则，研究团队选用了两个商业化的给体PBDB-T和PBDB-T-F以及三个受体：Y1，Y5和Y6作为研究对象。通过对分子间相互作用力以及能级匹配的调控，发现使用双氟化或两种非氟化给体/受体共混物可以实现高效的电池器件。基于PBDB-T-F /Y1-4F（Y3）和PBDB-T-F/Y6的器件具有宽的吸收，理想的形貌和有效的电荷转移，分别获得14.8％和15.9％的效率。此项研究意义在于通过优化分子结构得到了重要的给/受体匹配规则，最终实现了光伏器件的理性优化。

研究工作在《先进材料》上正式发表(Adv. Mater. 2019, 1904215(1-9))，论文题目为“Rational Tuning of Molecular Interaction and Energy Level Alignment Enables High-Performance Organic Photovoltaics”。第一作者为UCLA的博士生王睿以及中南大学特聘副教授袁俊。通讯作者为中南大学邹应萍教授和中国科学院化学研究所易院平教授以及加州大学洛杉矶分校杨阳教授。

上述研究工作得到了国家自然科学基金，科技部国家重大研发计划，湖南省自然科学基金等联合资助。