近期，北京理工大学化学与化工学院王金亮教授团队在集成外侧烷基不对称异构化和单硒取代策略的硒吩类小分子受体材料创制及其在高性能有机太阳能电池的应用研究方面取得重要进展，相关研究成果发表在国际化学领域顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上，题为“Double Asymmetric Core Optimizes Crystal Packing to Enable Selenophene-based Acceptor with Over 18?% Efficiency in Binary Organic Solar Cells”。 北京理工大学为唯一通讯单位，化学与化工学院王金亮教授和安桥石特别研究员为共同通讯作者，硕士研究生赵鑫和安桥石特别研究员为该论文的共同第一作者。
围绕着国家的“双碳”目标，一场对新能源的研究热潮正在如火如荼的进行中。有机太阳能电池（OSCs）作为一种清洁能源技术，由于具有轻、薄、柔和易加工等诸多优点受到了广泛关注，已经展现出巨大的商业应用前景。其中开发新型小分子受体（SMAs）材料是获得高性能OSCs的最重要途径之一。从化学结构设计的角度来看，SMAs结构优化可以通过使用独特的给电子中心核、开发适当的缺电子端基和调节不同的侧链来实现。其中硒吩的引入是一种有效的分子设计策略，可以优化小分子的光电特性并提高SMAs的器件性能。然而，与许多基于噻吩的受体相比，基于硒吩类SMAs的研究相对匮乏。同时，如何利用分子工程来精确调节硒吩类受体分子间晶体的堆积和进一步优化薄膜形态，理解其与器件性能之间的关系，实现高效率受体材料的创制，仍然面临着巨大的挑战，也是目前有机太阳能电池领域的关键科学问题之一。

图1 两个硒吩类不对称区域异构受体材料的分子结构和本论文的设计思路
针对上述的关键科学问题，王金亮教授团队在前期硒和异卤原子取代砌块集成的新型单分散受体材料的创制及其在高性能有机太阳能电池中的应用研究工作(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19241, ESI高被引论文; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202209454; Energy Environ. Sci., 2021, 14, 3945-3953, 前封面和高被引论文; Energy Environ. Sci., 2022, 15, 320; Energy Environ. Sci., 2021, 14, 90，高被引论文；Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2200807; ACS Energy Lett., 2018, 3, 2967等)的基础上，为了实现更高效率的硒吩类受体材料体系，将基于硒吩的不对称中心核工程和不同的烷基链策略相结合，在不改变烷基链总长度的情况下，最近设计并合成了一对A-D1A’D2-A型双不对称异构体（AYT11Se9-Cl和AYT9Se11-Cl，其具有相同的苯并噻二唑作为A’单元和两个缺电子端基作为A单元，但同时具有两个不同的基于硒吩和噻吩的不对称D1A′D2中心核，并且分别在中心单元中最外侧的硒吩环/噻吩环处连接有 n -壬基和 n -十一烷基链。系统地探讨了两种不对称区域异构体的光电行为、详细分子间填充的单晶结构、与聚合物给体PM6的共混形态以及相应OSCs的性能的影响。

图2 两个硒吩类受体材料的晶体堆积图对比
单晶堆积模型分析表明，与AYT11Se9-Cl相比，硒吩β位上具有较长n-十一烷基链的AYT9Se11-Cl形成了更紧密和有序的分子间堆积，因而具有额外的非共价相互作用。尽管这些双不对称异构体在纯膜中具有相似的吸收和HOMO/LUMO能级，但AYT9Se11-Cl在纯膜表现出更有效的电荷传输行为以及更高的电子迁移率。此外，与PM6:AYT11Se9Cl相比，PM6:AYT9Se11-Cl共混膜具有更强的结晶度和更明细的结晶取向以及更合适的相分离形貌特征，这与增加的电子-空穴迁移率以及抑制的电荷复合有关。因此，基于PM6:AYT9Se11-Cl的器件实现了18.12%的最优光电转换效率，明显高于基于PM6:AYT11Se9-Cl的器件结果（17.52%），是目前基于硒取代受体本体异质结型二元有机太阳能电池器件的最高值之一。综上，这项工作证明，基于不对称硒吩以及外部不对称烷基链的区域异构是一种协同和实用的方法用于开发高性能SMAs，不仅可以调节分子间聚集、晶体填充和混合膜形态，而且能进一步提高相应OSCs器件性能。

图3 两个硒吩类双不对称受体材料的有机太阳能电池器件性能对比
上述研究工作得到了国家自然科学基金项目、国家海外高层次青年人才项目、北京理工大学特立青年****计划等项目以及北京市光电转换材料重点实验室和北京理工大学分析测试中心的支持。中国人民大学王亚培教授、韩国高丽大学的Han Young Woo教授、北京工商大学李熊教授团队、中科院化学所朱晓张研究员团队给予了大力支持。
文章全文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202216340


附作者简介：
王金亮，化学与化工学院教授、博士生导师。2008年博士毕业于北京大学化学与分子工程学院，2013年入选国家海外高层次青年人才计划。主要从事有机与高分子光电能量转换材料创制及其在高性能有机太阳能电池器件中的应用研究。主持承担了国家海外高层次青年人才项目、国家自然科学基金项目、北京市自然科学基金面上项目、北京理工大学特立青年****计划等课题。至今在J. Am. Chem. Soc.等国际高水平学术期刊上发表SCI论文100余篇，总被引用6000余次。2016年被评为北理工优秀硕士学位论文指导教师，2021年被评为北京市优秀本科毕业论文指导教师。目前担任《北京理工大学学报英文版》第八届编委会委员，是中国化学会高级会员。
安桥石，北京理工大学化学与化工学院特别研究员、博士生导师。2020年4月加入北京理工大学化学与化工学院，主要从事有机光电子材料与器件方面的工作。迄今以第一/通讯作者身份在Energy Environ. Sci.; Angew. Chem., Int. Ed.; ACS Energy Lett.; Adv. Funct. Mater.; Nano Energy等国际高水平期刊上发表SCI论文40余篇，其中ESI高被引论文9篇，论文共计被引7000余次，主持国家自然科学基金等项目。