近日，课题组在抑制有机太阳能电池能量损失方面取得重要进展，相关研究成果以“Local Conformational Distortion Enables Ultralow Non-Radiative Recombination Energy Losses in 21%-Efficient Organic Solar Cells” 为题，发表在国际能源领域权威期刊Energy & Environmental Science上。
该工作针对有机太阳能电池中长期存在“高效电荷输运与低非辐射复合损失难以兼得”的问题，提出了局部构象扭曲的分子设计策略：在保持受体分子主共轭骨架整体平面性的同时，通过在稠环核上引入具有不同空间位阻的芳基侧链，精准调控分子间相互作用。其中，含四苯基乙烯单元的受体CH-TPE显著抑制了聚集诱导淬灭（ACQ），并在三元活性层中兼顾高效电荷传输与高固态发光效率。最终，D18:L8-BO:CH-TPE器件获得了21.09%的光电转换效率，第三方认证效率为20.46%，非辐射复合能量损失低至0.173 eV。
研究背景
近年来，稠环电子受体的发展推动单结有机太阳能电池效率突破20%。然而，与硅基和钙钛矿太阳能电池相比，有机太阳能电池仍存在较大的开路电压损失，其中，严重的非辐射复合能量损失（ΔEnr）是限制器件效率进一步提升的关键因素。降低ΔEnr通常要求受体材料具有较高的固态发光量子效率，但传统稠环受体具有高度平面的π共轭骨架，其紧密堆积有利于电荷传输，却容易引发强烈的聚集诱导淬灭，加剧非辐射衰减。相反，较大的空间位阻虽然能够削弱分子聚集、提高发光效率，却可能破坏电荷输运通道并降低器件效率。因此，在“弱激子耦合”（高发光）与“强电子耦合”（高效电荷传输）之间建立平衡，是实现低能量损失和高性能有机太阳能电池的关键。
图1：分子设计、合成和构象分析
研究团队以CH系列稠环电子受体为分子平台，在其扩展共轭核心上分别引入苯基、三苯胺基和四苯基乙烯基团，构筑了CH-Ph、CH-TPA和CH-TPE三种受体。与直接扭曲整个A–D–A共轭骨架的传统位阻策略不同，该设计将构象变化限制在分子的局部区域：分子主骨架仍保持高度共平面，有利于维持有效的分子内共轭；核附加位阻基团则形成明显的扭转构象，用于调节分子间接触与堆积强度。随着附加基团空间体积增大，局部扭转程度逐渐增强，其中CH-TPE具有最显著的局部构象扭曲，为削弱过强分子聚集和抑制非辐射衰减提供了分子结构基础。
图2：光物理性质和分子间堆积行为
三种受体在稀溶液中表现出几乎相同的吸收光谱，说明核附加基团并未明显改变主共轭骨架的本征电子结构。进入薄膜态后，CH-TPA和CH-TPE的吸收峰相较CH-Ph发生蓝移，表明较大的空间位阻削弱了分子间电子耦合。随着局部构象扭曲增强，受体薄膜的光致发光量子效率由CH-Ph的3.85%，依次提高至CH-TPA的8.18% 和CH-TPE的9.15%。与此同时，荧光寿命逐渐延长，非辐射衰减速率由CH-Ph的1.60 × 109 s-1降低至CH-TPE的 0.97 × 109 s-1。二维掠入射广角X射线散射结果进一步显示，三种受体均保持有利于垂直电荷输运的face-on取向；随着附加基团增大，π–π堆积距离由3.65 Å增加至3.76 Å，结晶性适度降低。该结果证明，局部构象扭曲能够缓和过强的分子间聚集，从而有效抑制聚集诱导淬灭。
图3：器件性能、相容性和能量损失分析
在D18:CH-X二元器件中，随着局部构象扭曲增强，器件开路电压逐渐提高，但过度疏松的分子堆积限制了电荷输运，使短路电流和填充因子下降。这一结果直接反映出单纯削弱分子聚集仍然难以解决“低能量损失—高效电荷输运”的矛盾。为此，研究团队将CH-X作为客体受体引入D18:L8-BO主体体系。接触角和差示扫描量热分析表明，CH-X与L8-BO具有良好的热力学相容性，并能够形成均匀的混合受体合金相。其中，D18:L8-BO:CH-TPE三元共混膜的发光量子效率达到0.31%。相应器件的电致发光外量子效率提高至约1.0 × 10-3，非辐射复合能量损失降低至0.173 eV。最终，D18:L8-BO:CH-TPE三元器件实现了21.09%的光电转换效率（第三方认证效率为20.46%）。
图4：电荷传输、激子解离和复合动力学
器件物理研究表明，CH-TPE的引入显著改善了三元体系中的激子解离和电荷输运行为。光强依赖、瞬态光电压和瞬态光电流测试进一步表明，CH-TPE三元器件中的陷阱辅助复合和双分子复合受到有效抑制，同时具有更长的载流子寿命和更快的电荷提取过程。飞秒瞬态吸收光谱显示，在800 nm选择性激发受体后，混合受体相中的激发态能够快速向D18给体发生空穴转移。这表明局部构象扭曲不仅抑制了过度聚集，还优化了给体/受体界面结构，使激子能够更快到达界面并完成电荷分离。
图5：共混膜形貌表征
在三元体系中，CH-X客体受体使π–π堆积距离适度增加，并逐渐降低薄膜表面粗糙度。其中，D18:L8-BO:CH-TPE薄膜的均方根粗糙度降低至1.14 nm，纤维平均直径细化至23.2 nm。AFM-IR化学成分成像进一步显示，CH-Ph体系具有相对粗大的相分离结构，而CH-TPE体系形成了更加连续、精细且相互贯穿的给体/受体纤维网络。这种适宜尺度的相分离既有利于激子扩散和界面解离，又能形成连续的电荷传输通道。因此，CH-TPE引起的并非无序化或过度稀释，而是对分子聚集和结晶行为的适度调节，最终形成有利于电荷产生、输运与收集的多尺度形貌。
总结与展望
该工作提出了一种不同于传统整体骨架扭曲的分子设计思路：通过核附加位阻工程在受体分子中引入可控的局部构象扭曲，在不显著破坏主共轭骨架平面性和本征吸收的前提下，精准调节分子间相互作用。这一策略实现了高发光和高效电荷传输的协同优化：（1）抑制过强的分子间激子耦合并形成高发光混合受体合金相；（2）构筑精细互穿网络，实现快速电荷分离与平衡载流子输运。因此，基于CH-TPE的三元有机太阳能电池最终实现21.09%的效率和0.173 eV的低非辐射复合能量损失，为破解有机光伏受体中“固体发光—电荷输运”之间的矛盾提供了新的分子设计方案。
论文信息：Local Conformational Distortion Enables Ultralow Non-Radiative Recombination Energy Losses in 21%-Efficient Organic Solar Cells. Energy Environ. Sci., 2026, https://doi.org/10.1039/D6EE02268E.