近日，我院周二军研究员团队在三元有机太阳能电池方向取得最新研究进展。相关研究成果以“Benzotriazole-based 3D 4-Arm Small Molecules Enable 19.1% Efficiency for PM6:Y6-based Ternary Organic Solar Cells”为题，在化学类顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表。论文第一作者为河南先进技术研究院硕士研究生李向羽和国家纳米科学中心唐爱玲副研究员，通讯作者为我院周二军研究员。

       有机太阳能电池具有轻质、柔性、半透明、颜色可调等诸多优点，具有广泛的应用前景，已成为前沿研究热点领域。目前，三元策略是提升能量转换效率最为有效的方法之一，即在二元活性层材料中添加第三组分。然而，第三组分的材料设计缺乏指导性的方针，材料种类也相对较少。此外，相对于调控吸收光谱和分子的电子能级，第三组分对于共混膜的形貌调控表现出体系依赖性，其对性能提升的作用机制仍需深入的研究。

       近日，郑州大学和国家纳米科学中心周二军研究员团队，在组内发展的含苯并三氮唑（BTA）线性“明星分子”的基础上，合成了一系列以螺二芴为中心核的三维四臂小分子受体SF-BTA1/2/3。针对经典光伏材料体系PM6: Y6，三元策略实现了最高19.1%的能量转换效率，实现了该体系的世界最高值。

       深入的研究表明，这些小分子具有明显的非平面伸展三维结构，在吸收光谱上与原体系互补，进一步拓宽了光伏电池的吸收范围，并且与Y6具有良好的相容性，形成了类合金结构，从而适当抑制了Y6的过度聚集，有效改善原体系的堆积行为。稳态和瞬态荧光光谱表明，三种小分子SF-BTA1/2/3都能向PM6或者Y6进行能量转移，提供了额外的电荷生成途径。此外，这类四臂宽带隙分子还可以于PM6之间形成电荷转移，促进电荷生成。能量损失测试表明三种小分子SF-BTA1/2/3的引入均能提升相应的电荷转移态能量，同时抑制非辐射能量损失，这都有利于获得更高的开路电压。

       总结来说，该工作系统验证了三维四臂结构小分子在高效率三元有机太阳能电池中的可行性，为三元策略的进一步发展和第三组分的材料设计提供了指导性的方针。

  全文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202306847

图1：分子结构、分子构型、表面静电势，能级及吸收光谱。

图2：相关器件物理表征。