链间超分子相互作用推动近21%效率有机太阳能电池

这一太阳能突破为何重要

由塑料而非刚性硅制成的太阳能电池可以做到轻薄、柔性甚至半透明，适合为小型设备、窗户和曲面供电。然而，有机太阳能电池一直难以与当今最优面板的效率相匹配，因为部分吸收的能量会以热的形式悄然流失。本研究展示了如何通过精心改造有机分子上的微小侧链来抑制这种隐性能量损耗，从而将柔性太阳能电池的效率推向接近21%，可与更传统的技术相抗衡。

制造更好的塑料太阳能材料

有机太阳能电池依赖于一类碳基分子混合物来吸收光并分离电荷。作者关注的是一系列作为“受体”的分子，它们与名为D18的高分子供体配对。在常规设计中，这些受体携带柔软的侧链，有利于溶解和工艺处理，但也允许侧链振动和摆动。这些运动会与移动的电荷耦合，促使能量以热的形式流失。研究团队设计了一种新的受体，命名为S-Cb，其侧链包含一个小而受挤压的四碳环——环丁烷。该环相对刚性且较平面，使分子更僵硬，并在薄膜中的分子堆积方式上产生微妙变化。

抑制薄膜内的能量浪费

为验证更刚性的设计是否有效，研究人员将S-Cb与一种名为L8-BO的最先进受体在光致发光和吸收性能上进行了比较。溶液和薄膜中的测量显示，S-Cb在激发态弛豫时损失的能量略少，其发射谱更窄，这两点都表明可供电荷耗散能量的振动通道更少。S-Cb的玻璃化转变温度更高，表明材料更为僵硬。X射线研究还显示S-Cb形成更有序的层状结构，差示扫描量热法显示其更易结晶。综合这些测试结果表明，环丁基使材料更刚性、更有序，从而削弱了电子与分子振动之间不需要的耦合。

让分子相互扣合

最显著的行为出现在将S-Cb与L8-BO按三元器件配比混合并加入D18聚合物时。计算机模拟和晶体学分析表明，当S-Cb与L8-BO以等量存在时，它们不同的侧链可以以一种“夹紧”构型相互锁定。S-Cb上近乎平面的环丁基环恰好插入L8-BO的叉状侧链之中，并由大量弱的以氢为基础的接触固定。这种分子间的扣合将分子拉入紧密堆积、高度均一的合金状受体相。处于这种状态时，薄膜中的空隙减小，分子运动受限，计算显示振动重新排列和电子与空穴之间的吸引力都被降低，有助于电荷分离和传输而非复合。

将结构转化为更高性能

仅用S-Cb构建的太阳能电池表现已相当出色，光电转换效率接近19.6%，与仅基于L8-BO的电池相当。当两种受体与D18混合时，器件性能对混合比例高度敏感。在S-Cb与L8-BO按1:1混合、夹紧效应最强的条件下，电池达到了20.93%的效率，经认证的数值为20.74%。详尽的光学和电学测试表明，在这一最佳点，器件兼具强光吸收、平衡的电荷传输、减慢的复合以及更小的非辐射能量损失。纳米级显微成像证实了供体与受体区域交织精细、域尺寸匹配良好，有利于激子分裂和电荷提取。

对未来太阳能电池的意义

对非专业读者而言，关键结论是：对有机分子侧链做出微小改变，就能对太阳能电池中电荷的传输产生巨大影响。通过加入一个小的刚性环，研究人员创造出不仅本身振动较少，而且能够将邻分子扣合成有序网络的分子，从而减少热损失并帮助电荷逃逸。这种“分子夹紧”策略将柔性有机太阳能电池的效率提升至近21%，为实现接近当今最佳硅基器件性能且具有更大应用灵活性的薄型轻量面板提供了可行的设计路径。

引用: Gao, W., Hai, Y., Zeng, J. et al. Interchain supramolecular interactions drive nearly 21% efficiency organic solar cells. Nat Commun 17, 4590 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71199-0

关键词: 有机太阳能电池, 环丁基侧链, 超分子相互作用, 能量损失降低, 三元光伏混合物