南昌大学谌烈/吴飞燕《Angew》:不对称端基唤醒二聚受体——静电势调控+激子解离加速,有机太阳能电池效率破20%且可拉伸!
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back-to-back二聚受体因其优异的结构稳定性和独特的三维电荷传输通道，近年来受到广泛关注。然而，二聚化带来的空间位阻往往削弱端基的堆积能力，导致分子间π-π相互作用减弱、电荷传输性能下降，使二聚受体的光伏性能长期落后于单体小分子受体。针对这一瓶颈，南昌大学陈烈教授、吴飞燕教授联合北京邮电大学、韩国大学等多团队，首次将不对称端基策略引入背靠背二聚受体设计，合成了以IC-2F和IC-2Cl为不对称端基的新型二聚受体DQx-FCl。打破分子结构对称性后，DQx-FCl的静电表面电势发生重排，不仅强化了分子间π-π堆积，还降低了单线态激发态中电子-空穴的重叠程度，显著促进了激子解离。基于DQx-FCl的二元器件效率达19.11%，三元器件更是达到20.27%，刷新了背靠背二聚受体的效率纪录。更令人振奋的是，增强的分子间相互作用同时赋予了器件优异的力学柔韧性——柔性器件PCE达17.27%（裂纹起始应变14.6%），本征可拉伸器件在23%拉伸应变下仍保持80%初始效率。该工作以"Modulating Surface Potential and Electron/Hole Overlap of Singlet Excited State in Asymmetry End-Capped Dimeric Acceptors for Efficient and Stretchable Organic Solar Cells"为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。技术亮点
✅不对称端基设计首次应用于二聚受体：将具有不同吸电子能力和空间位阻的IC-2F和IC-2Cl端基同时引入背靠背二聚骨架，打破结构对称性，调控分子的静电表面电势分布（总平均静电势从5.08增至5.11 kcal mol⁻¹），增强与给体PM6的分子间相互作用。✅静电势调控+激子解离协同优化：不对称DQx-FCl具有更大偶极矩（2.25 vs 0.92 Debye）和更高介电常数（εr=1.81 vs 1.13），同时其S₄激发态的电子-空穴Coulomb吸引能显著降低（Ecoul=0.74 vs 0.82 eV），促进了激子解离并抑制复合。✅三元器件效率20.27%创纪录：以D18:L8-BO为主体，DQx-FCl为第三组分的三元器件获得PCE=20.27%，为目前文献报道的背靠背二聚受体有机太阳能电池最高效率。✅柔性与可拉伸性能取得突破：增强的分子间链缠结使柔性器件PCE达17.27%（COS=14.6%），本征可拉伸器件在>23%拉伸应变下仍保80%效率，为可穿戴电子应用提供了材料基础。研究意义
✅开辟二聚受体设计新范式：首次证明不对称端基策略在二聚受体中的有效性，打破了此前"二聚化必然牺牲性能"的固有认知，为高性能、高稳定性二聚受体设计提供了全新的分子工程思路。✅深化激发态调控基础认知：通过理论计算与超快光谱学结合，定量揭示了不对称端基如何降低电子-空穴重叠、减小Coulomb吸引能，从激发态层面阐明了电荷分离优化的物理机制。✅ "效率-稳定性-柔性"三赢：DQx-FCl策略在提升PCE的同时，显著改善了器件热稳定性（85°C老化300h保持86.8%）和力学柔韧性，突破了传统OSC的性能权衡困境。✅面向可穿戴应用的潜力验证：实现了本征可拉伸OSC在23%应变下的高效稳定运行，该性能指标为可穿戴柔性光伏的实际部署提供了有价值的参考。深度精读
图1：分子结构与基础光电性质表征图1a展示了DQx-F和DQx-FCl的化学结构：两个Y系列小分子受体以硒吩为π桥进行背靠背二聚，DQx-F两端对称连接IC-2F，DQx-FCl则一端为IC-2F、另一端为IC-2Cl。薄膜UV-vis吸收（图1b）显示，不对称DQx-FCl的吸收光谱较DQx-F发生进一步红移（λmax膜=813 vs 807 nm），带隙也从1.35 eV缩小至1.33 eV。CV测试（图1c）表明两者LUMO/HOMO能级接近（DQx-FCl: −3.72/−5.66 eV），保证了与给体PM6的能级匹配。Urbach能（图1d）分析中，DQx-FCl的Eu=20.83 meV低于DQx-F（21.53 meV），表明不对称端基降低了能量无序度，有利于减少非辐射复合损失。GIWAXS（图1e-g）揭示了关键的分子堆积差异：两者均为face-on取向，但DQx-FCl在OOP方向展现出更紧密的π-π堆积距离（3.76 vs 3.78 Å）和更大的相干长度（CCL=19.82 vs 18.98 Å），证实不对称端基强化了分子间有序堆积。
图2：DFT理论计算——静电势与激发态电子-空穴分布DFT计算（图2a-f）系统地揭示了不对称端基策略的内在机制。首先，DQx-FCl的核心-桥连单元二面角更小（1.89° vs 5.34°），骨架平面性更优，有利于π-π堆积。静电表面电势（ESP）分析显示，不对称DQx-FCl的IC-2Cl端呈现增强的负电势，吡咯环区域呈现正电势，导致分子偶极矩大幅增加（2.25 vs 0.92 Debye），同时其总平均静电势（5.11 kcal mol⁻¹）与给体PM6（−0.55 kcal mol⁻¹）之间的差异更大，表明给体-受体间相互作用更强。更重要的是TD-DFT计算（图2g-i）：在S₄激发态中，DQx-FCl的电子-空穴重叠指数Sr显著减小，Coulomb吸引能Ecoul从DQx-F的0.82 eV降至0.74 eV，从理论上预言了不对称端基有利于促进电荷分离。
图3：光伏性能与器件物理分析基于PM6为给体的二元器件（图3a-c）中，DQx-FCl器件获得了19.11%的PCE，显著优于DQx-F的18.24%，提升主要来源于JSC（26.59 vs 25.85 mA cm⁻²）和FF（79.48% vs 77.29%）。EQE光谱显示DQx-FCl器件在450-800 nm范围内光响应均更强。热稳定性测试（85°C/300h，图3d）中DQx-FCl器件保持86.8%初始效率（DQx-F仅80.4%）。载流子动力学表征（图3e-h）：DQx-FCl器件具有更高的激子解离效率（97.4% vs 96.7%）、更快的载流子提取时间（0.18 vs 0.25 μs）、更高且更平衡的迁移率（μe/μh=0.93 vs 0.88）。能量损失分析（图3i）揭示DQx-FCl器件的非辐射复合损失ΔE₃更低（0.210 vs 0.215 eV），这与更低的Urbach能和优化的形貌密切相关。
图4：飞秒瞬态吸收光谱——激子解离动力学fs-TA光谱（图4a-f）以820 nm泵浦光选择性激发受体，监测给体GSB（~620 nm）的演化来追踪空穴转移动力学。双指数拟合显示，PM6:DQx-FCl共混膜的界面激子解离时间τ₁=0.32 ps（vs 0.40 ps）和扩散时间τ₂=4.89 ps（vs 8.20 ps）均显著缩短，证明不对称端基加速了激子向D/A界面的迁移和解离。值得注意的是，全局拟合揭示τ₂从31.1 ps延长至55.1 ps，表明DQx-FCl体系中电荷转移态寿命更长、电荷分离态更稳定，有利于抑制孪生复合。激发通量依赖实验（图4g-h）进一步证实PM6:DQx-FCl中双分子复合成为主导机制，与PM6:DQx-F中以孪生复合为主形成对比。图4i总结了DQx-FCl促进激子解离的机制示意图。
图5：原位UV-vis与薄膜形貌分析原位UV-vis吸收光谱（图5a-c）追踪了成膜过程中受体吸收峰的演化。两种共混膜的溶液聚集起始时间相近，但在晶体生长阶段，PM6:DQx-FCl仅需1.41 s即完成成膜，显著快于PM6:DQx-F（1.97 s），这归因于DQx-FCl更强结晶性和与PM6更强的分子间作用。共混膜GIWAXS（图5d-f）表明两者均为face-on取向，但PM6:DQx-FCl的(010)衍射峰强度更高、CCL更大（21.59 vs 21.01 Å），与纯膜趋势一致。这些结果表明不对称端基策略通过增强分子间相互作用，在成膜过程中引导形成更有序的分子堆积。
图6：三元器件与柔性/可拉伸器件性能将DQx-FCl作为第三组分引入PM6:L8-BO和D18:L8-BO高效体系（图6a,b），PM6:L8-BO:DQx-FCl和D18:L8-BO:DQx-FCl分别获得19.54%和20.27%的PCE，后者为目前背靠背二聚受体的最高效率。FOW薄膜力学测试（图6c）显示，DQx-FCl三元共混膜的裂纹起始应变（COS）高达14.6%（二元参照仅6.8%），源于增强的分子间缠结。柔性器件（图6d）PCE达17.27%，弯曲600次后保持98.4%。本征可拉伸器件（图6e-i）实现了超轻量特性（可置于蒲公英上），PCE达14.95%，在23%拉伸应变下仍保持80%初始效率，远超二元器件（11%应变时80%保持率）。结论展望
本研究首次将不对称端基工程应用于背靠背二聚受体设计，开发了DQx-FCl这一兼具高效率、高稳定性和优异力学性能的新型受体。通过打破分子对称性，DQx-FCl实现了静电表面电势的优化调控，增强了分子间π-π相互作用，同时降低了单线态激发态的电子-空穴重叠，显著促进了激子解离。三元器件20.27%的认证级效率刷新了二聚受体有机光伏的效率上限，柔性器件17.27%和23%拉伸应变下80%效率保持的力学性能更为可穿戴能源器件开辟了新路径。这一"不对称端基"设计范式为下一代兼具高性能与多功能性的有机太阳能电池材料提供了清晰的设计方向。文献来源
You, S., Yang, C., Shuai, X., Xu, J., Zhang, Y., Huang, B., Liu, G., Kim, H. H., Woo, H. Y., Kuang, Z., Wu, F., Liu, J. & Chen, L. "Modulating Surface Potential and Electron/Hole Overlap of Singlet Excited State in Asymmetry End-Capped Dimeric Acceptors for Efficient and Stretchable Organic Solar Cells." Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e5005095.
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