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  在全球能源轉(zhuǎn)型的浪潮中，有機(jī)光伏（OPV）電池憑借柔性、輕質(zhì)、低成本等優(yōu)勢，成為新能源領(lǐng)域的研究熱點。當(dāng)前，非富勒烯受體（NFA）的分子工程推動OPV功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）突破20%。其中，氟化策略作為核心技術(shù)手段，通過氟原子特有的強(qiáng)電負(fù)性和空間效應(yīng)，實現(xiàn)了對活性層材料光物理性質(zhì)、激子動力學(xué)過程及納米級相分離行為的協(xié)同優(yōu)化，為突破器件性能極限提供了核心思路。盡管氟化在提升OPV效率上成效顯著，但當(dāng)前的設(shè)計主要依賴于端基修飾與器件性能之間的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)。這種過于簡化的方法忽略了跨量子尺度電子態(tài)、形態(tài)演化動力學(xué)、以及宏觀器件物理的層級因果關(guān)系，最終限制了對各種分子結(jié)構(gòu)的精確氟化，并制約了性能的提升。因此，亟需圍繞上述跨尺度機(jī)制瓶頸開展系統(tǒng)探究，通過解析氟化誘導(dǎo)的分子構(gòu)象-電子參數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)律，闡明活性層形貌演化的熱力學(xué)與動力學(xué)機(jī)制，構(gòu)建“氟化修飾-形貌特征-器件性能”統(tǒng)一理論框架，為高性能OPV器件的理性分子工程與形貌優(yōu)化提供關(guān)鍵理論支撐。

  針對上述問題，西北工業(yè)大學(xué)劉劍剛教授團(tuán)隊采用了靶向分子氟化策略，選擇Y5及其氟化衍生物Y6作為模型體系。通過整合量子力學(xué)計算與形態(tài)分析技術(shù)，建立了分子結(jié)構(gòu)、形態(tài)演變動力學(xué)與器件性能之間的明確關(guān)聯(lián)，為破解氟化調(diào)控機(jī)制難題提供了系統(tǒng)性解決方案。從分子層面看，Y6中的氟化使分子構(gòu)象緊湊并提高了主鏈共面性，同時降低了重組能并提高了電荷轉(zhuǎn)移積分，從而促進(jìn)載流子傳輸。優(yōu)化的分子幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低了激子結(jié)合能，同時擴(kuò)大了能級偏移，從而促進(jìn)高效的激子解離。在形態(tài)調(diào)控層面，氟化策略降低了PM6和Y6之間的相容性，同時增強(qiáng)了Y6分子之間的非共價相互作用。這種獨特的熱力學(xué)特征促使PM6/Y6體系在成膜過程中趨向于結(jié)晶誘導(dǎo)的固-液相分離——這一過程加速了成核動力學(xué)，同時延長了晶體生長持續(xù)時間，最終形成了具有最佳相區(qū)尺寸和更高結(jié)晶匹配度的納米互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。相比之下，非氟化的Y5體系經(jīng)歷相分離誘導(dǎo)的結(jié)晶，產(chǎn)生小相區(qū)尺寸，且共混相含量高、缺陷態(tài)密度大。這些優(yōu)勢最終實現(xiàn)了平衡的電荷傳輸和高效的激子解離，使PCE從8.23%顯著提升至18.12%。關(guān)鍵的是，氟化策略展現(xiàn)出普遍適用性，PM6/Y18（氟化，PCE=18.51%）相較于PM6/Y16（非氟化，PCE=4.31%）實現(xiàn)4.3倍效率提升，且在PM6/Y6-BO（18.05%）、PM6/N3（18.24%）和PM6/L8-BO（19.20%）等氟化體系中均表現(xiàn)出穩(wěn)定的高性能。

圖1.（A）PM6、Y5和Y6的分子結(jié)構(gòu)；（B）PM6、Y5和Y6薄膜的紫外-可見吸收光譜；；（C）PM6/Y5和PM6/Y6薄膜的紫外-可見吸收光譜；（D）PM6、Y5和Y6的能級；（E 和H）Y5和Y6的二面角和優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)；（F和I）分別為Y5和Y6中分子片段之間的電荷轉(zhuǎn)移；（G和J）Y5和Y6的ESP分布及直方圖。

圖2.（A和B）Y5和Y6的Hirshfield片段中原子與所有其他原子之間接觸表面的指紋圖譜；（C和D）Y5和Y6的中心分子中的X元素與外圍分子中的Y元素之間局部接觸表面的分解指紋圖譜；（E）Y5:Y5和Y6:Y6二聚體的sign (λ₂)ρ和RDG函數(shù)。

圖3.（A和D）PM6/Y5和PM6/Y6薄膜的原位吸收等高線圖；（B和E）PM6的強(qiáng)度演變曲線；（C和F）Y5或Y6 的強(qiáng)度及峰值位置演變曲線；（G和J）PM6的Avrami擬合結(jié)果；（H和K）Y5或Y6的Avrami擬合結(jié)果；（I和L）PM6與Y5或Y6的溶脹、結(jié)晶及生長速率。

圖4.（A 和 B）PM6/Y5和PM6/Y6的原位光致發(fā)光光譜；（C 和 D）PM6/Y5和PM6/Y6 1D曲線；（E和F）有/無CN的Y5以及有/無CN的Y6的分子動力學(xué)示意圖；（G和H）Y5:Y5 和 Y6:Y6 的質(zhì)心徑向分布函數(shù)；（I）CN:Y5 和 CN:Y6 的分子間堆積圖。

圖5.（A和D）AFM高度圖像；（B和E）AFM相位圖像；（C和F）TEM圖像；（G和H）基于PM6/Y5和PM6/Y6的（G）F 1s和（H）N 1s的DXPS圖譜；（I和L）PM6和Y5（Y6）的含量分布。

圖6.（A-D）薄膜的二維GIWAXS圖；（E）Y5和Y6的1D GIWAXS曲線；（F）Y5和Y6的（010）衍射峰極圖；（G）PM6/Y5和PM6/Y6共混膜的1D GIWAXS曲線；（H）PM6/Y5和PM6/Y6共混膜（010）衍射峰極圖；（I和M）PM6/Y5和PM6/Y6薄膜的紫外-可見吸收光譜實驗及擬合；PM6/Y5薄膜中（J）PM6和（K）Y5的拉曼映射；（N）PM6和（O）Y6在PM6/Y6薄膜中的拉曼映射；（L和P）給體相、受體相和共混相的組分分布圖。

圖7.（A）PM6/Y5和PM6/Y6器件的J-V曲線，（B）EQE光譜，（C）μ_h/μ_e值，（D）J_ph-V_eff特性，（E）J_SC-P_light曲線，（F）V_OC-P_light曲線；750 nm激發(fā)下PM6/Y5和PM6/Y6薄膜的（G和H）TA光譜；（I）Y5和Y6的PL和吸收光譜，以及它們的基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級圖。

圖8.（A和D）Y16和Y18的分子結(jié)構(gòu)；（B和E）Y16和Y18中分子片段間的電荷轉(zhuǎn)移；（C和F）Y16、Y18靜電勢及分布直方圖；（G和J）Y16:Y16以及Y18:Y18的sign(λ₂)ρ和RDG函數(shù)；基于不同器件的Y16:Y16和Y18:Y18（H和K）J-V曲線和（I和L）EQE光譜。

  該工作以“Unraveling Cross-Scale Fluorination Mechanisms in Non-Fullerene Acceptors for High-Efficiency Organic Photovoltaics”為題發(fā)表在國際期刊《Advanced Functional Materials》上。西北工業(yè)大學(xué)為論文第一完成單位，電子信息學(xué)院博士研究生劉幸鵬為論文第一作者，西北工業(yè)大學(xué)劉劍剛教授等為論文的共同通訊作者。本研究得到陜西省杰出青年、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。

  論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202517542