有機非富勒烯小分子受體材料由于設計合成簡單，在可見光甚至是近紅外區域有較強吸收，且能級可調，因而近年來受到了越來越多的關注，也取得了突破性的進展。最近有機太陽電池的效率不斷被刷新，非富勒烯有機太陽單結的電池效率已超過18%。為了進一步推動此行業的發展，需要從原子層面上理解材料的堆積信息，幫助理解分子不同物理化學性能的內在原因，從而設計具有更高性能的小分子受體材料。
在作者之前的工作中 (ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018, 10, 39992)，作者觀察到氯取代分子通過Cl-S、Cl-π、π-π等非共價鍵相互作用力進行堆積，形成了一個規整的線性堆積J聚集體，這種有序的堆積方式有利于分子間電荷的轉移。隨后在氯代端基同分異構體體系中 (iScience 2019, 17, 302; J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 4737), 作者提出了三維網絡受體的概念，由于氯在端基取代位置的不同，引起了分子從二維線性堆積到三維堆積的分子排列轉變，三維堆積可以形成在受體分子中形成更多電子跳躍傳輸的結點，有利于電荷在分子間的高效傳輸。在溴原子取代體系里，作者同樣也發現了受體分子的三維網絡堆積行為 (Chem. Mater. 2019, 31, 8044)。在最近興起的高效率A-D-A-D-A類型受體材料里，研究者首次解出了三氟甲基取代的受體分子的單晶結構，發現在該分子中由于多重的分子間相互作用以及H/J聚集的協同作用使得該受體分子形成三維網絡傳輸結構 (Joule 2020, 4, 688)。
圖1：不同鹵素取代的單晶堆積排列.
圖2：氯取代同分異構體的分子間相互作用以及堆積信息.
圖3：A-D-A-D-A體系分子BTIC-CF3-γ的單晶堆積.
基于在有機太陽能電池受體材料晶體方面的工作，南方科技大學化學系何鳳教授團隊受邀在國際材料期刊Advanced Energy Materials上發表相關綜述。在此綜述里，研究者系統總結了大部分具有確定晶體數據的受體材料，討論了分子的結構設計，堆積方式以及性能之間的關系。另外，研究者提出了“三維網絡受體”的概念，在此類受體分子中其會擁有更多電子跳躍傳輸的結點，電子可以沿著xyz三個方向規整的π-π堆積進行傳輸，從而增加了材料的遷移率，進一步提高其光電性質。另外文章也討論了在受體材料中有關單晶方面的問題，強調了如何通過現有的單晶信息來理解和調整分子間相互作用力以及聚集狀態，從而實現更高效的受體材料的定向合成與設計。
研究者們相信，探索光電材料的微觀堆積信息會對材料的性質有更進一步的認識，通過調控分子的聚集狀態以及分子間相互作用，可以為新型高效的光伏材料發展提供新的思路。相關論文在線發表在國際材料期刊Advanced Energy Materials（IF =25.2）上，DOI: 10.1002/aenm.202002678，第一作者為南方科技大學-哈爾濱工業大學聯合培養博士生賴寒健，通訊作者為南方科技大學化學系何鳳教授。
參考文獻：H. Lai, and F. He, Adv. Energy Mater. 2020. DOI: 10.1002/aenm.202002678.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002678
