南开大学陈永胜 AM：20.3%！高性能受体的 2D 共轭中心单元如何设计？

文章介绍

目前，高性能受体中几乎所有的中心核心都局限于吸电子二酰亚胺结构，这极大地限制了进一步的受体结构创新。

基于此，南开大学姚朝阳和陈永胜等人采用氧 （O）、硫 （S） 和氮 （N） 原子桥接 2D 共轭中心核心，产生 CH─O、CH─S 和 CH─N 三个受体平台，它们在结构上仅有两个原子不同。由于特征性的原子外电子构型和杂化轨道取向，O-、S-和N-桥联的中心核显示出截然不同的构象和电子性质，分别是二苯并二恶英（平面，非芳香族）、噻蒽（褶皱，非芳香）和吩嗪（平面，芳香族）。一项系统的研究首次揭示了中心核，尤其是其在 O/S/N 和共端苯平面上的孤对电子之间的 p-π 轨道重叠，如何影响受体的内禀光电特性。最后，基于 CH─N 的二元器件在有机光伏中提供了 83.13% 的最高填充因子以及 20.23% 的一流效率。通过全面评估严格控制的 O-、S 和 N -桥分子平台，这项工作揭示了二酰亚胺在确定受体的优秀光伏结果方面的潜在独特性。该论文近期以“O, S, and N Bridged Atoms Screening on 2D Conjugated Central Units of High‐Performance Acceptors”为题发表在期刊Advanced Materials上。

总之，为了扩大SMA设计的空间，采用O、S和N原子在同一受体平台上桥接2D共轭中心核，产生了三个CH SMA─O, CH─S、 和CH─N.由于p的不同-𝜋 O/S/N上孤对与相邻苯平面的轨道重叠，SMA的中心核显示出截然不同的构象和电子性质，例如CH中的平面和非芳香族二苯并二恶英─O、 CH中起皱的非芳香族噻蒽─S、 CH中的平面和芳香吩嗪─N。一项系统的研究表明，SMA的内在光电特性可以通过中心单元的特性进行精细调节。受益于吩嗪的优点，D18:CH─N基二元OSC的一级效率为20.23%，而D18:CH的效率为18.48%─O和18.93%的D18:CH─S。注意CH─除了开创性的Y系列主干（L8-BO和BTP-eC9等）外，N还展示了很少的SMA骨架，这可以将二元OSC的PCE提高到20%以上。更令人兴奋的是，D18:CH也达到了有机光伏中83.13%的最高FF─N、 通过合理定制SMA中的中央单元，展示了减少有机和无机光伏之间FF差距的巨大潜力。通过构建这三个SMA，我们的工作扩大了中央单元的结构范围，并为进一步的中央核心建设提供了宝贵的指导。

器件制备

器件制备：

ITO/2PACz/D18:SMAs/PNDIT-F3N/Ag

1. 洗干净的ITO玻璃，臭氧15 min，2PACz，3000rpm 20s旋涂，100℃退火10 min；

2. 将D18:CH-O、D18:CH-S和D18:CH-N混合物（D:A重量比=1:1.5；总浓度为10.0 mg mL-1）完全溶解在氯仿（CF）中。将混合溶液在60°C下搅拌3小时，2200 rpm 30s旋涂，85℃退火5 min，采用CS₂作为溶剂进行SVA处理；

3. 1 mg/mL PNDIT-F3N MeOH+0.5%冰醋酸，3000rpm 20s旋涂；

4. 蒸镀150 nm Ag。

X. Cao, Z. Xu, R. Wang, J. Guo, W. Zhao, Y. Zhang, Z. Yao, Y. Guo, G. Long, X. Wan, Y. Chen, O, S, and N Bridged Atoms Screening on 2D Conjugated Central Units of High‐Performance Acceptors. Advanced Materials,  (2025).

DOI: 10.1002/adma.202503131