全小分子太阳能电池（ASM-OSCs）因其分子结构清晰、纯化方法简单，避免了聚合物太阳能电池器件批量间差异较大的缺点，是有机太阳能电池的重要研究方向之一。然而，小分子的共轭主链短、结晶速度快，使得活性层的形貌难以控制，器件的光电转换效率仍落后于聚合物太阳能电池。目前，由于形态控制手段有限，开发新型高效的小分子供体和受体仍然是提高ASM-OSCs效率的最重要策略。

在之前的研究工作中，魏志祥的研究团队在共轭小分子的设计与形貌调控方面取得了一系列进展。例如，通过扩大供体中间电子供体单元的熔融环结构以提高材料的结晶度，设计合成了小分子供体ZR1，并与非富勒烯受体Y6混合后有效调控了多阶亚形貌（Nat. Commun.， 2019， 10， 5393）; 后来，通过侧链苯烷烃硫醚链的位置异构化，设计了供体M-PhS的新结构， 协同优化了有序堆积和高相容性，构建了相尺度上多级分布的活性层形貌，实现了电荷分离和输运的平衡，基于M-PhS：BTP-eC9的器件达到16.2%（Adv. Mater. 2022， 34， 2106316）。

近期，在上述工作的基础上，团队通过在ZR1侧噻吩单元上引入硅氧烷链，设计合成了三种具有不同表面张力的小分子供体（ZR1-C8、ZR-SiO和ZR-SiO-EH，图1）。通过给出受体之间的表面张力差来调节分子间相容性，ZR-SiO-EH：Y6共混膜表现出更好的纳米级双连续互穿网络形貌，具有较小的相区尺寸和有序的分子堆积，保证了高效的激子解离和电荷传输。此外，有序的分子取向和占据供体之间最高分子轨道 （HOMO） 的还原电子之间的能级差将非辐射能量损失降低到 0.2 eV，导致 ASM-OSC 的开路电压高达 0.87 V。因此，基于ZR-SiO-EH：Y6的器件具有16.4%的高转换效率。结果表明，引入硅氧烷烷基链调节分子间相容性，获得有序的相分离形貌，为高性能ASM-OSCs的设计提供了有效的方法。相关研究成果发表在《能源与环境科学》杂志上。（能源环境科学开云手机平台， 2022， 15，2937开云手机平台， DOI： 10.1039/d2ee00726f）。

图 1. a）小分子供体的化学结构;b）3个小分子供体的表面能测试（左边的测试溶剂是二次水，右边是1,2-二碘甲烷）;c）共混薄膜的透射电子显微镜形貌;d） 共振软X射线散射曲线;e）混合薄膜的形态示意图（200nm，红色和蓝色的小模块分别代表供体和受体）。

除了上述对中间电子供体单元的修饰外，末端吸电子单元的修饰在调节其溶解度、能级和分子堆积模式方面也起着至关重要的作用。通过将小分子供体的末端烷基链从己基（MPhS-C6）缩短为乙基（MPhS-C2），获得了紧密的π-π堆积，同时降低了其结晶度对热退火的敏感性（图2）。由于MPhS-C6末端长烷基链的自由旋转带来的柔韧性，结晶行为对热敏感，在器件热退火过程中kaiyun开云官方网站，HOMO能级和结晶行为大大提高。短烷基链MPhS-C2降低了其对热退火的敏感性，从而降低了HOMO能级上升的幅度及其结晶规模。这与短烷基链的密集堆积相结合，确保了在较小的相分离规模下有效的电荷传输。当BTP-eC9作为受体时，与MPhS-C6相比，MPhS-C2：BTP-eC9器件的非辐射能量损失从0.247 eV降低到0.192 eV，效率从16.2%提高到17.11%，实现了ASM-OSCs效率的突破。由于活性层膜致密性的提高和对热聚集敏感性的降低kaiyun开云官方网站，器件的光学和热稳定性得到了显着提高。本文强调了通过小分子供体设计优化活性层形貌的关键作用，对高效有机偶联小分子的合成具有重要的指导意义。研究结果发表在《先进材料》杂志上，标题为“全小分子有机太阳能电池中的供体端盖烷基链长度依赖性非辐射能量损失”。（高级。母校。2022， DOI： 10.1002/adma.202207020）。

图2. a）小分子供体的化学结构;b）不同烷基链长热聚集的驱动力;c） 不同烷基链长分子对热退火聚集的灵敏度和能级变化示意图;d） 整个小分子（>14%）的高效率及其能量损失的汇总表，并标明了这项工作的结果

美国国家纳米科学中心的博士生常一林和副研究员朱向伟是能源与环境科学文章的共同第一作者，国家纳米科学中心的研究员卢坤是通讯作者。国家纳米科学与技术中心博士生张莉莉和武汉大学博士生孙锐是先进材料文章的共同第一作者，国家纳米科学与技术中心副研究员丹邓是通讯作者。该论文还得到了国家纳米科学与技术中心的周 Huqiong教授，习交通大学的马 Wei教授和武汉大学的Min Jie教授的合作。上述成果得到了国家自然科学基金和中国科学院战略重点科技专项（B类）的支持。

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