分子构象是有机/高分子的关键结构属性，是理解其宏观性能和器件功能的重要基础。在有机太阳能电池中，分子的构象偏好（平面或扭曲、顺式或反式）直接影响材料的几何形状、聚集行为，进而影响光伏性能。非稠环电子受体因其低成本、易合成等优势，成为极具潜力的有机光伏材料。然而，其分子内含有多个可旋转单键，构象调控难度大，目前尚缺乏以顺/反式构象调控为导向的分子设计策略，严重制约了“构象–性质–性能”之间明确构效关系的建立与光伏器件效率的进一步提升。

  天津大学/中国科学院大学黄辉教授与中国科学院大学张昕副教授团队提出了一种以顺/反构象调控为导向的分子设计新思路，通过引入利用分子内S···F非共价相互作用，成功实现了非稠环电子受体从顺式（syn-）到反式（anti-）构象的精准调控。基于反式构象分子anti-TT-F的二元和三元有机太阳能器件，分别实现了15.08%和19.88%的能量转化效率。

  该研究成果以“Intramolecular Noncovalent Interaction-Driven Syn-/Anti-Conformational Regulation in Nonfused-Ring Electron Acceptors”为题，发表于国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition。论文第一作者为中国科学院大学博士生王思璇，共同第一作者为中国科学院大学博士生汪思颖与上海交通大学博士生曾瑞，通讯作者为天津大学/中国科学院大学黄辉教授与中国科学院大学张昕副教授。

图1 a) 代表性非稠环电子受体的顺/反构象偏好的统计分析。b) syn-TT-H和anti-TT-F的化学结构。

  该工作首先对具有代表性的非稠环电子受体单晶结构进行统计，并对其顺/反构象偏好展开深入分析（图 1a）。研究结果表明，目前针对非稠环电子受体顺/反构象调控的研究仍存在明显空白。因此，通过在分子内引入S???F非共价相互作用来调控分子构象偏好，设计并合成了两种新型非稠环电子受体syn-TT-H和anti-TT-F（图1b）。

图2 DFT理论计算和光谱学以及能级研究

  势能面扫描证明旋转异构体1采用顺式构象（扭转角40°），而旋转异构体2采用反式构象（扭转角接近180°）。同时DFT计算表明S???F非共价相互作用的S值为0.17，证实了骨架平面性的提高和顺/反构象偏好的转变可归因于S???F非共价相互作用。进一步地通过重组能计算以及光谱学证明了anti-TT-F具有降低的重组能，更小的Stokes位移，以及显著增强的分子刚性。

图3 单晶结构和堆积模式

  单晶X射线衍射分析结果表明：分子的构象偏好与势能表面扫描结果一致，S???F非共价相互作用的引入引发了构象翻转；具有顺式构象的syn-TT-H形成了一维链状堆积模式，而具有反式构象anti-TT-F则构成了三维网络堆积模式，这有利于高效的电荷传输。

图4 光伏性能与器件物理研究

  器件结果显示，与syn-TT-H相比，基于anti-TT-F的二元OSC器件实现了更低的能量损失和更高的能量转换效率。为进一步挖掘anti-TT-F的应用潜力，将其作为第三组分制备成三元器件，实现了19.88%的优异效率。

图5 活性层形貌表征

  原子力显微镜显示D18:anti-TT-F共混膜具有更明显的相分离和互穿网络结构。二维掠入射广角X射线散射结果表明D18:anti-TT-F共混膜具有更小的π-π堆积距离以及更高的结晶度。

  综上所述，该工作创新性地提出了以顺/反式构象调控为导向的分子设计范式，成功建立起非稠环电子受体“构象–性质–性能”之间明确的构效关系。与此同时，基于anti-TT-F的三元器件获得了近20%的优异效率，展示了构象定制的非稠环电子受体在实现高性能有机太阳能电池中的应用潜力。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202513603