有机太阳能电池（OSCs）因其轻质、柔性、材料多样性丰富、成本低廉以及可大面积制备等优点，在便携式电子设备、可穿戴设备和建筑光伏一体化等领域展现出广阔的应用前景。近年来，A-DA’D-A型非富勒烯受体（NFAs）的分子结构优化取得了快速发展，单结OSCs的能量转换效率（PCE）已突破20%。然而，与无机和钙钛矿太阳能电池相比，OSCs仍面临激子结合能大、非辐射能量损失（ΔE₃）高以及载流子迁移率低等瓶颈问题，制约了光伏性能的进一步提升。

  目前，氟化是调控非富勒烯受体分子静电势（ESP）和堆积的最广泛使用策略之一，主要包括直接氟化和三氟甲基化两种方式。然而，直接氟化对分子平均静电势的提升有限，电荷分离驱动力仍然不足；而引入三氟甲基（CF₃）虽能显著提高ESP和电荷分离效率，但过高的ESP会大幅增加给体-受体激发态中的电荷转移比例，导致发光效率降低和ΔE₃增大。因此，亟需探索一种能够平衡电荷分离和能量损失的新型氟化策略。

  针对以上科学问题，近日，江西师范大学陈义旺\廖勋凡教授团队首次将三氟甲硫基（SCF₃）氟化基团引入A-DA’D-A 型非富勒烯受体的喹喔啉母核，并结合烷基侧链工程，设计并制备出ZY-SCF₃-EH、ZY-SCF₃-BO、ZY-SCF₃-HD 三个新型受体材料，同时与合成的三氟甲基受体CH-CF₃进行对比研究。理论计算结果表明，SCF₃基团兼具适中的吸电子能力与优异亲脂性，可构建合适的分子静电势体系，既为激子解离提供充足驱动力，又可有效抑制非辐射复合损失。相较于传统氟化与三氟甲基化改性体系，SCF₃改性能够显著降低激子结合能、减小空穴-电子轨道重叠度、增大激子质心间距，同时降低给体-受体激发态中电荷转移态的占比，有效提升辐射复合效率，从根本上抑制ΔE₃。与此同时，SCF₃的引入可诱导体系产生多重分子间非共价相互作用，构筑独特的三维蜂窝状分子堆积网络，显著提升分子结晶度与电荷传输效率。基于最优受体材料ZY-SCF₃-HD构筑的PM6:ZY-SCF₃-HD二元OSCs实现了19.4%的优异PCE，以及0.23 eV的低ΔE₃。通过三元共混策略进一步优化能级与相结构，器件PCE可进一步提升至20.1%。此外， SCF₃的高亲脂性赋予受体材料优异的溶解性，可以实现室温溶液加工，因此成功制备了高效大面积和模组器件，其中1.05 cm²器件的PCE可达17.5%，20.25 cm²大面积模组器件效率高达16.4%。该研究系统证实，SCF₃是一种高效、通用的高性能氟化构筑单元，突破了传统氟化改性无法兼顾高效电荷分离与低能量损耗的技术瓶颈，阐明了适度分子静电势调控协同优化器件光电性能的内在机理，为开发高效率、高工艺兼容性、可规模化制备的新一代有机光伏材料与器件提供了新的设计思路。

  2026年8月4日，相关成果以《Trifluoromethylthio Engineering Enables a Balanced Electrostatic Potential for Organic Solar Cells with over 20% Efficiency and Low Energy Loss》为题，发表于国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》上，论文共同第一作者为廖勋凡、刘铭涛、吴中远和孙竟轩，江西师范大学陈义旺教授和朱佩佩博士为本文共同通讯作者。

图1. (a) 已报道受体CH4、AQx-1F和CH-CF（CH-CF₃）的分子结构及性质；(b) CF₃、S和SCF₃的性质对比；(c) 目标受体分子的分子结构、ESP和AIM图。

  该研究首先通过理论计算和实验结果表明，将SCF₃引入NFAs具有以下独特优势：（1）SCF₃具有更高的亲脂性，显著改善了受体溶解度，ZY-SCF₃-HD在氯仿中室温溶解度高达74.2 mg/mL，可实现室温溶液加工；（2）增大分子偶极矩(2.08 D)，增强分子间相互作用并降低ΔE₃；（3）SCF₃具有适中的吸电子能力(Hammett常数σ_p：CF₃=0.54，SCF₃=0.44)，使分子平均ESP为4.93 kcal/mol，既能保证高效激子解离，又能抑制ΔE₃；（4）尽管SCF₃体积较大，但其C-S键的可旋转特性以及氟原子与相邻苯环氢原子间的非共价相互作用d_(F-H)，有效稳定了分子构象并保持了良好的共平面性；（5）SCF₃的引入能够降低激子结合能、减小空穴电子轨道重叠度、增大激子质心间距，有利于减少能量损失（E_loss）。

图2. (a) Y、CH、CH-F、CH-CF₃和ZY-SCF₃的PDOS图；(b) A’单元对受体LUMO贡献占比图；(c) CH-F、CH-CF₃和ZY-SCF₃的AIM拓扑分析图；(d) CH-F、CH-CF₃和ZY-SCF₃的S₀→S₁电子和空穴分布；(e) 空穴和电子的平滑描述；(f) 分子分片及各部分对空穴、电子和空穴-电子重叠的贡献。

  单晶结构分析进一步揭示了SCF₃基受体的独特堆积模式。与CH-CF₃相比，ZY-SCF₃-HD虽然由于SCF₃较大的原子半径导致中心核与端基间的二面角略有增大，但其DA’D骨架与IC-2F端基间的S-O构象锁距离更短，有利于增强主链的平面性和刚性。更重要的是，ZY-SCF₃-HD展现出独特的堆积模式，端基间、中心核间和噻吩桥单元间三种π-π相互作用共存，π-π堆积距离分别为3.30、3.44和3.60 ?，这种多重π-π相互作用共存的特征极大增强了分子间耦合，促进了紧密堆积的三维网络形成，对提升电荷迁移率起着至关重要的作用。

图3. (a) CH-CF₃和ZY-SCF₃-HD的单分子晶体结构；(b) 单晶及一个晶胞内的π-π相互作用；(c) CH-CF₃和ZY-SCF₃-HD的三维互穿网络堆积。

  基于上述优势，研究团队制备了三个新型SCF₃化受体的二元器件，并与CH-CF₃受体进行对比。其中，基于PM6:ZY-SCF₃-HD二元OSCs器件获得了19.4%的优异PCE，其中开路电压为0.89 V，短路电流密度为26.8 mA cm^-2，FF高达81.2%，同时ΔE₃低至0.23 eV。当给体替换为D18时，二元器件PCE达到19.2%；进一步采用D18:L8-BO:ZY-SCF₃-HD三元策略，PCE提高至20.1%。为了研究烷基链的差异对器件性能的影响，选择了性能相差最大的两个SCF₃化受体进行系统性研究。电荷产生与复合动力学研究表明，PM6:ZY-SCF₃-HD器件具有更高的激子解离效率和电荷收集效率，以及更低的陷阱辅助复合。空间电荷限制电流法测得PM6:ZY-SCF₃-HD器件具有更高和更平衡的电子和空穴迁移率。

图4. (a) PM6、CH-CF₃、ZY-SCF₃-EH、ZY-SCF₃-BO和ZY-SCF₃-HD的能级图；(b) 氯仿溶液（虚线）和纯膜（实线）中的UV-vis吸收光谱；(c) 各器件J-V特性曲线；(d) EQE曲线；(e) 基于CF₃和ZY-SCF₃-HD受体的OSCs器件参数对比；(f) D18基器件的J-V曲线；(g) J_ph-V_eff特性曲线；(h) V_OC对光强的依赖性曲线；(i) 空穴和电子迁移率。

  掠入射广角X射线散射（GIWAXS）形貌分析进一步揭示了PM6:ZY-SCF₃-HD器件性能最优的原因。ZY-SCF₃-EH和ZY-SCF₃-HD纯膜均呈现face-on堆积取向，其中虽然短侧链的ZY-SCF₃-EH具有更小的π-π堆积距离和更高的结晶性，然而，与给体PM6共混后，PM6:ZY-SCF₃-HD展现出更高的相对结晶度，这可能归因于ZY-SCF₃-HD更长的烷基侧链增强了其与PM6的混溶性，从而形成了更致密的三维网络状堆积结构。掠入射小角X射线散射（GISAXS）进一步表明，PM6:ZY-SCF₃-HD共混膜的结晶域尺寸为25.3 nm，接近理想相分离尺寸；而PM6:ZY-SCF₃-EH则因受体过强的自聚集倾向导致域尺寸增大至38.8 nm，不利于激子解离和电荷收集。

图5. (a) ZY-SCF₃-EH和ZY-SCF₃-HD纯膜的二维GIWAXS图；(b) PM6:ZY-SCF₃-EH和PM6:ZY-SCF₃-HD共混膜的二维GIWAXS图；(c) GIWAXS一维曲线图；(d) PM6:ZY-SCF₃-EH和PM6:ZY-SCF₃-HD的二维GISAXS图；(e) GISAXS一维曲线图。

  超快动力学研究进一步揭示了器件性能差异的微观机理。飞秒瞬态吸收光谱在750 nm激发光下选择性激发受体组分，PM6:ZY-SCF₃-HD共混膜在630 nm处展现出更快的空穴转移动力学，其具有更快的激子解离动力学和更高效的界面电荷生成。时间分辨共聚焦成像分析进一步证实，PM6:ZY-SCF₃-HD共混膜的光致发光寿命从纯膜的1.110 ns显著缩短至0.596 ns，寿命降幅远大于PM6:ZY-SCF₃-EH体系，表明其具有更快的电荷转移动力学。上述结果充分说明，ZY-SCF₃-HD优化的纳米尺度相分离形貌有效促进了激子解离和电荷提取，同时抑制了复合损失，为器件J_SC和FF的显著提升提供了直接的证据。

图6. (a-b) PM6:ZY-SCF₃-EH和PM6:ZY-SCF₃-HD二维飞秒瞬态吸收光谱图；(c) PM6:ZY-SCF₃-EH和PM6:ZY-SCF₃-HD薄膜的空穴转移动力学对比；(d) 共混膜中受体基态漂白的衰减动力学；(e) 纯膜和共混膜的光致发光光谱；(f) 寿命成像图；(g) 寿命分布直方图（激发波长780 nm）。

  能量损失分析表明，PM6:ZY-SCF₃-HD器件的E_loss仅为0.523 eV，其中ΔE₃低至0.231 eV，显著低于PM6:ZY-SCF₃-EH（0.258 eV）、PM6:ZY-SCF₃-BO（0.250 eV）和PM6:CH-CF₃（0.238 eV）。通过拟合高灵敏度s-EQE和电致发光光谱，进一步获得了器件的电荷转移态能量(E_CT)，PM6:ZY-SCF₃-HD具有更小的ΔE_CT有利于LE态与CT态的有效杂化，从而抑制CT态复合并降低ΔE₃。理论计算进一步揭示了分子层面的物理机制：ZY-SCF₃-HD具有较小的平均ESP（4.93 kcal/mol，对比CH-CF₃的5.02 kcal/mol），有效降低了给体-受体激发态中CT态比例，同时显著增强了振子强度，从而提升了辐射复合效率并抑制了ΔE₃。此外，ZY-SCF₃-HD还表现出比CH-CF₃更高的光致发光量子产率和更小的斯托克斯位移，这有利于减小电子-声子耦合，进一步降低ΔE₃。

图7. (a-c) PM6:ZY-SCF₃-EH、PM6:ZY-SCF₃-BO和PM6:ZY-SCF₃-HD器件的归一化s-EQE和EL数据；(d) 器件能量损失柱状图；(e) PM6:ZY-SCF₃-HD和PM6:CH-CF₃体系的空穴-电子分布、CT比例、振子强度和库仑吸引能；(f) 电荷转移态形成及其与能量损失关系的示意图。

  最后，得益于SCF₃基团的高亲脂性赋予ZY-SCF₃-HD优异的室温溶解度，作者进一步探索了该材料体系在大面积器件中的应用潜力。采用室温溶液加工法制备的1.05 cm²大面积器件，PCE仍高达17.5%。在此基础上，作者制备了总面积为20.25 cm²的有机光伏模组，该模组实现了高达16.4%的PCE，是目前报导的约20 cm²级有机光伏模组的最高值之一。上述结果充分表明，SCF₃功能化策略在构建高性能活性层材料及实现高效大面积有机光伏模组方面展现出巨大潜力，为有机光伏的实用化发展提供了新的有力支撑。

图8. (a) 有机太阳能模组的结构示意图；(b) 基于PM6:ZY-SCF₃-HD的大面积有机太阳能模组实物照片；(c) 总面积为20.25cm²的PM6:ZY-SCF₃-HD有机太阳能模组的I-V和P-V特性曲线；(d) 本工作与代表性有机太阳能模组的PCE随总面积变化对比图；(e) 基于PM6:ZY-SCF₃-HD有机太阳能模组驱动风扇的应用演示照片。

  综上所述，本工作不仅提出了一种用于构建高性能非富勒烯受体的高效含氟构筑单元，还提供了关于静电势调控工程如何能够兼顾高效电荷分离与低能量损失的机理见解，为下高效有机光伏材料的开发提供了新的分子设计思路。

  论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c09915