分子构型在决定有机半导体材料的物理和化学性质方面发挥着关键作用。然而，对于广泛应用于有机太阳能电池的A-DA'D-A型小分子受体（SMA），其构效关系的系统研究仍较为匮乏。

最近，在国家自然科学基金委和北京市科委的支持下，化学所有机固体实验室李永舫课题组联合上海交通大学刘烽教授课题组，以二氯苯作为A'吸电子单元，突破了传统A'单元因稠合结构带来的构型限制，成功设计并合成了四种具有不同几何构型（C形、Ɂ形、M形和S形）的苯并二吡咯型小分子受体（C-Cl46-Cl、Ɂ-Cl46-Cl、M-Cl46-Cl、S-Cl46-Cl，分子结构如图1所示），并系统研究了分子构型对其光伏性能的影响。研究发现，分子构型主要从以下三个方面影响其物理化学性质与光伏性能：(1) 本征理化性质，包括能级分布、吸收光谱、重组能；(2) 分子堆积模式，进而影响激子扩散与电荷传输过程；(3) 给体-受体相互作用及相容性，决定了活性层薄膜的形貌。

其中，C形构型的SMA材料展现出更为理想的能级与吸收范围、更紧密有序的分子堆积模式，以及更优的给体-受体相互作用和相容性，使得基于D18:C-Cl46-Cl的二元有机太阳能电池器件实现了高达19.94%的能量转换效率（经权威机构认证效率为19.54%），达到当前二元有机太阳能电池的国际领先水平。相比之下，其余构型的SMA在性能表现上存在明显短板，例如：Ɂ形SMA吸收能力受限，M形SMA具有较大的重组能与松散的堆积模式，S形SMA则表现出极低的溶解度和过强的聚集性，均限制了其器件性能的进一步提升。

本研究首次系统揭示了A-DA'D-A型小分子受体的“构型-性能”关系，为未来高性能有机光伏材料的分子设计提供了重要理论指导和参考依据。相关研究成果以“Molecular Geometry-Property Relationship of Benzodipyrrole-Based A-DA'D-A Type Acceptors for High-Performance Organic Solar Cells”为题，发表在Angew. Chem. Int. Ed.2025, e202505366上。文章第一作者为博士研究生龚钰扉，共同第一作者为上海交通大学博士研究生谭森珂；通讯作者为李骁骏副研究员、李永舫院士及上海交通大学刘烽教授。

图1 A-DA'D-A型小分子受体的构型对光伏性能的影响。（图中从左至右依次是：C-Cl46-Cl、Ɂ-Cl46-Cl、M-Cl46-Cl、S-Cl46-Cl，其中基于C-Cl46-Cl的二元有机太阳能电池的能量转换效率最高，达到了19.94%）

有机固体实验室

2025年4月18日