Angew. Chem. ：利用结构融合策略开发新型受体分子，获得高性能三元有机太阳电池

有机太阳电池（OSCs）作为新一代太阳能发电技术，近30年来，一直是基础研究的一个前沿热点领域。三元策略是一种有效提高有机太阳能电池效率的方法，有助于克服二元共混物的电子结构和形貌限制，其已成为该领域的研究热点。因此，如何甄选第三组分是构筑高效率、高稳定性有机太阳能电池的核心问题。

在三元有机太阳电池中，寻找第三组分的客体受体材料非常关键，通常其应具有以下三个选择标准：（1）客体成分与二元主体具有互补吸收。（2）引入的客体组分应与二元主体系中的材料具有良好的相容性。（3）客体组分可以精细地修改二元体系的能量带隙，从而降低能量损失。最近，科学家发现基于5-元碳环骨架IDT或IDTT衍生的A-D-A型稠环电子受体（IDT-series）是一类良好的客体受体材料，作为第三组分，往往能够进一步提高有机太阳电池的光电转化效率；另一方面，研究证实，在A-D-A型稠环电子受体中，利于硅−氧桥取代IDT或IDTT中的五元碳环（SiOTC-series）可以提高分子的能级和改善分子的堆积、结晶性以有电荷迁移率。

基于此，南开大学赵东兵联合山东大学高珂以及复旦大学杨迎国等，使用结构单向延伸策略以及基于五元碳桥和六元硅氧桥的结构融合策略，设计了两个新型的梯形骨架IDT–SiO和IDTT–SiO，从而能够以更微小的变化精确调整材料性能。然后，作者使用IDT–SiO和IDTT–SiO作为中心稠环供体单元，设计合成了既含有五元碳桥又含有六元硅氧桥的新型A-D-A型稠环电子受体材料IDT–SiO–IC 和 IDTT–SiO–IC。与对称六元SiO桥联SiOTIC相比，不对称C/SiO杂化IDT–SiO–IC和IDTT–SiO-IC显示出明显的蓝移吸收、升高的LUMO能级和更高的偶极矩。作者认为，这一类新型的稠环电子受体材料作为三元有机太阳电池中的客体受体材料可能具有与明星受体材料Y6和明星给体材料D18互补的吸收光谱，良好的兼容性；另外，结构的融合将破环分子对称性，导致分子具有较大的偶极矩和介电常数，从而有利于增强分子间相互作用和降低激子结合能。

随后，作者将受体分子IDT–SiO–IC 和 IDTT–SiO–IC引入到D18:Y6的二元太阳电池体系中，从而构建出高性能的三元OSCs， 分别获得了18.22%和18.77%的光电转换效率。研究结果显示，IDT–SiO–IC 和 IDTT–SiO–IC确实与D18:Y6混合物具有互补吸收，并且其LUMO能级相对于Y6上移，这有助于提高三元器件的开路电压（V_OC）。同时，IDT–SiO–IC 和 IDTT–SiO–IC均与Y6具有良好的相容性，三元共混物中形成了双受体相，有利于实现更平衡的载流子迁移率，同时电荷复合受到抑制。

紧接着，作者对器件的堆积及形貌进行了表征。GIWAXS、AFM以及TEM表征表明，在三元共混物中使用少量IDTT–SiO–IC作为客体受体材料促进了D18和Y6的“面对面”取向和结晶。原因可能是IDTT–SiO–IC在三元共混膜中形成新的晶核，并遵循非均匀成核晶种机制，增加了三元共混薄膜中的原纤维含量和微晶质量。

总之，在该工作中，作者使用单向延伸策略以及基于五元碳桥和六元硅氧连接桥的结构融合策略，设计合成了两个A-D-A结构的客体受体材料IDT–SiO2–IC和IDTT-SiO2–IC。优化的基于IDTT–SiO–IC作为客体受体的三元有机太阳电池实现了18.77%的光电转化效率。这一效率代表了基于Y6受体的单结有机太阳电池的创纪录VOC和效率值。此外，与基于二元和SiOTIC的三元器件相比，基于IDTT–SiO–IC的三元器件的稳定性也得到显著提升。这些结果凸显了结构融合以及单向延伸策略在设计稳定高性能有机太阳电池中的重要潜力。