有机太阳能电池（OSCs）由于具有柔性、质轻、可印刷制备等特点，作为一项极具应用前景的光电转换技术而受到广泛关注。得益于非富勒烯受体（NFAs）的迅速发展，OSC的光电转换效率（PCE）已突破19%。受体材料的共轭分子骨架能够影响几何构型、前线轨道能量和聚集行为等，进而决定器件性能。到目前为止，大量的研究都聚焦于NFA的分子骨架设计，如刚性稠环核与简单非稠环核，并分别对应稠环电子受体（FREAs）和非稠环电子受体（NFREAs）。NFREAs由于具有简便的合成路线、较低的合成成本，在商业化应用中表现出极大潜力。烷基侧链作为NFAs的另一重要组成成分，能够有效调节分子的溶解度、光物理性质和堆积方式等。然而，NFREAs的烷基侧链对于分子聚集模式，尤其是对于结晶行为的影响其构效关系仍不明确，这限制了其光伏器件性能的提升。

最近，课题组通过精细调控烷基侧链长度，设计并合成了一系列新型NFREAs：DPA-n（n = 3, 4, 5），并成功调控了分子的晶体堆积模式。尽管三个材料在溶液中表现出几乎一致的吸收光谱，但具有中等烷基长度的DPA-4在薄膜状态下表现出更高的消光系数，这表明了其在薄膜中更加紧密的分子堆积。此外，单晶XRD衍射结果表明，多重分子间C=O···H、S···F相互作用能够形成延展互锁平面，这促进了DPA-4更高效的3D电子传输和更大的晶体堆积系数，有利于提高材料的电子迁移率。

图1. 分子结构与合成路线

图2. 吸收光谱、能级排列与晶体中的分子构象

图3. 晶体堆积模式与三维晶体堆积网络

器件物理研究表明，当与聚合物给体D18共混制备OSCs时，基于DPA-4的光伏器件表现出更高效的激子解离与电荷收集、更高且更平衡的电子/空穴迁移率、更低的能量损失、更快的空穴转移以及适中的相分离，揭示了其更高的EQE响应与更优器件性能的原因。结果表明。基于D18:DPA-4的器件PCE为16.67%，是目前基于NFREAs的器件最高值之一。

图4. 光伏性能与器件物理研究

图5. 薄膜形貌研究

这项工作通过精细调节NFREAs烷基侧链的拓扑结构，成功获得了更加高效的3D晶体堆积网络、优化的薄膜堆积行为和高性能光伏器件，展现了NFREAs的巨大发展潜力，并为设计高性能NFREAs提供了新的思考。

该项工作以“Precisely Manipulating Molecular Packing via Tuning Alkyl Side-Chain Topology Enabling High-Performance Nonfused-Ring Electron Acceptors”为题发表于《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202318143. https://doi.org/10.1002/anie.202318143.）论文第一作者为课题组博士研究生韩子阳，共同第一作者为张彩娥博士、南开大学何腾飞博士，通讯作者为中国科学院大学黄辉教授和张昕副教授。