华南理工大学马於光课题组/南方科技大学何凤课题组AOM发文：非富勒烯受体中的强孤子特性——对未来分子设计的新光化学见解

Wiley

2025-05-29

研究背景

高性能的非富勒烯受体（NFAs），通常具有受体-供体-受体（A-D-A）结构，如ITIC和Y6。这些NFAs具有刚性骨架、近红外（NIR）吸收、高摩尔消光系数（ε）和陡峭的带边等特征。高的消光系数和弱的带边吸收可以有效改善有机光伏（OPV）器件的短路电流密度（JSC）和开路电压（VOC）。目前，基于ITIC和Y系列NFA的最先进的有机太阳能电池（OSC）的功率转换效率（PCE）分别超过了15%和20%，这主要是由于材料设计和器件工程的创新。然而，NFA的设计机制仍然是打破OPV性能瓶颈的巨大挑战，包括效率、稳定性和工业化。因此，建立NFA分子结构和性质之间的关系对未来OPV的发展具有重要意义。

研究概述

华南理工大学马於光课题组和南方科技大学何凤课题组分析了典型非富勒烯分子ITIC和Y6的电子结构，发现这些NFA分子的π共轭骨架表现出了均一化的碳-碳（C-C）键长，而这些骨架上的π电子密度则沿共轭链表现出类似电子密度波的交替分布。受花菁染料启发，提出这些NFA分子具有类孤子电子结构特征，这样的电子结构特征可以通过给受体基团进行调控，相应的类孤子激发过程很好的解释了NFA分子高摩尔消光系数和陡峭的带边的吸收光谱特征。相关工作发表在Advanced Optical Materials上。

图文导读

图1：(a)典型非富勒烯受体的结构示意图及其吸收光谱特征；（b）给受体基团诱导的部花菁共轭链的电子结构（平均化的键长和交替的原子电荷）及其吸收光谱特征；（c）ITIC和（d）Y6共轭骨架的键长和原子电荷特征。

图（2）：ITIC和Y6的（a）（b）化学结构，（c）（d）前线分子轨道分布（等值面±0.03）和（e）（f）归一化紫外-可见-近红外吸收光谱。

小结

非富勒烯受体ITIC和Y6的共轭骨架表现出了均匀化的碳-碳（C-C）键长，共轭链上的碳原子携带的电荷量也存在一定的正负交替分布的特征。与花菁染料类似，这种电子结构特征的出现应当与给受体基团的调控有关，被称为类孤子的电子结构。ITIC和Y6的高摩尔消光系数和陡峭带边的吸收光谱被认为与类孤子激发过程有关。可以通过给受体基团来调控这些NFAs的电子结构，增强其类孤子特征，从而改善NFA分子的光吸收性能。希望我们的观点能够为未来发展高性能非富勒烯受体提供一些有益的思考和讨论。

期刊简介

Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的论坛，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。