近期，南方科技大學化學系教授何鳳團隊在三維網路受體設計和合成領域取得豐碩研究成果，先後在Angewandte Chemie，CCS Chemistry 和 Journal of Materials Chemistry A等國際著名期刊上發表多篇論文。基於在三維網路受體方向的貢獻，何鳳受邀在著名能源和材料期刊Advanced Energy Materials上撰寫綜述性論文，系統地總結了近年來三維網路受體的單晶結構解析和在有機太陽電池器件中的效能研究，推動了三維網路受體在有機太陽能電池領域的發展。

目前，基於共軛聚合物半導體和有機小分子受體混合製備的有機太陽能電池在材料的合成和器件工藝上都已取得了顯著的進展。考慮到此前高效有機太陽能電池的製備普遍採用毒性很高的滷代芳烴溶劑，課題組以健康和環保為出發點，發展低毒性甚至無毒的非滷代芳烴溶劑去製備有機太陽電池。在含三氟甲基的高效受體BTIC-CF3-γ (Joule 2020, 4, 688-700)基礎上，透過不對稱策略，結合氯取代的獨特性質和優勢，合成了新的高效能受體材料BTIC-2Cl-γCF3，該分子能在大多數溶劑中充分溶解（甚至無鹵素溶劑），從而滿足環境友好的器件製備要求。此外BTIC-2Cl-γCF3的三維網路結構有利於更加高效的電荷傳輸, 提高器件的光電轉換效能。以甲苯作為加工溶劑時器件效率達到16.31%，三元效率高達17.12%；同時半透明電池透射率達24.45%，效率高達13.06%。這些結果表明，BTIC-2Cl-γCF3是半透明光伏-建築一體化產品中很有前途的材料。該成果以研究論文形式發表在國際化學旗艦期刊Angewandte Chemie International Edition (10.1002/anie.202013053)上。課題組研究助理教授陳暉，博士生賴寒健和化學系高階研究學者陳子毅為該工作的第一作者，通訊作者為何鳳。

圖1. BTIC-2Cl-γCF3的晶體堆積和甲苯加工的有機太陽器件效能

作為氯取代的擴充套件，課題組同時設計合成了兩種異構化的溴代受體材料BTIC-2Br-β 和BTIC-2Br-γ。單晶結構解析結果表明BTIC-2Br-γ具有很好的平面性，其3D網路結構有利於分子間堆積和電荷轉移。基於BTIC-2Br-γ體系的有機太陽能電池獲得16.52%的光電轉化效率，這是目前溴取代非富勒小分子材料的最高轉換效率之一。研究結果表明，溴原子取代也是一種非常有效的製備高效能非富勒烯小分子受體的方法。上述成果發表在中國化學會旗艦期刊CCS Chemistry上, 該工作的第一作者為博士生王歡，研究助理教授韓亮和研究生畢業生劉濤，以及華南理工大學博士後周家東，通訊作者為何鳳。

圖2. 受體材料的化學結構式和光伏效能及其BTIC-2Br-γ晶體堆積

此外，課題組在之前工作的基礎上（iScience 2019, 17, 302）上，合成了三種不同位置的氯取代小分子受體材料，研究發現不同氯取代端基的引入對受體最後器件效能的影響非常大，其能量轉換效率介於7.39 % 和15.04%之間。相比於傳統的共軛分子的線性π-π堆積，這種三維堆積構型利於更加有效的進行分子間的電子跳躍傳輸, 進而最佳化材料的光電轉換效能。該成果發表在Journal of Materials Chemistry A上，該研究論文的第一作者為課題組畢業博士生莫代澤，共同第一作者為陳暉和周家東，通訊作者為何鳳教授。

基於在有機太陽能電池晶體方面的工作，何鳳團隊受邀在國際材料期刊Advanced Energy Materials上發表相關綜述。此綜述總結了大部分具有確定晶體資料的受體材料，討論了分子的結構設計，堆積方式以及效能之間的關係。另外，綜述提出了“三維網路堆積”的概念，在此類材料裡，電子可以沿著x y z三個方向規整的π-π堆積進行傳輸，從而增加了材料的遷移率，進一步提高其光電性質。另外文章也討論了受體材料遇到的一些單晶相關的問題，強調了如何透過現有的單晶資訊來理解和調整分子間相互作用力以及聚集狀態，從而實現更高效的受體材料的定向合成與設計。

目前，單晶解析已經應用於探索PDI型別，A-D-A型別，A-D-A-D-A型別以及非稠環的受體材料。團隊討論了PDI型別的同分異構體對分子堆積的影響，從而影響其器件效能。在A-D-A型別裡，團隊發現了氯取代的受體具有規整的J聚集行為，這是由於分子間多重強有力的Cl-S等相互作用造成的。另外，團隊在氯取代的同分異構體體系中提出了三維網路堆積的概念，由於氯在端基取代位置的不同，引起了分子從二維線性堆積到三維堆積的轉變。在大原子溴取代的體系裡，也發現了三維網路堆積行為。另外，鹵素在端基取代的數量增加會顯著提升分子間的電子耦合；烷基鏈在核上的長度增加會使分子具有更規整的聚集行為等，從而提升效能。在最近興起的高效率A-D-A-D-A型別受體材料裡，該課題組首次解出了三氟甲基取代的受體分子的單晶結構，發現該分子間不僅存在端基與端基之間的J聚集，還有核與核之間的堆積，形成了H聚集體，因此A-D-A-D-A體系分子間的堆積是H/J聚集協同作用形成的。此外，由於A-D-A-D-A體系N原子的引入，分子間的非共價鍵相互作用力發生了改變，產生了一些新的F∙∙∙N, N∙∙∙O和N∙∙∙S等相互作用力。多重的分子間相互作用和H/J聚集的協同作用使得這類分子具有三維網路結構，這有利於電荷在分子間的傳輸。

何鳳團隊認為，探索光電材料的微觀堆積資訊會對材料的性質有更進一步的認識，透過調控分子的聚集狀態以及分子間相互作用，可以為新型高效的光伏材料發展提供新的思路。相關論文線上發表在國際材料期刊Advanced Energy Materials上，第一作者為賴寒健，通訊作者為何鳳。

以上研究得到了國家自然科學基金委、深圳市科創委、深圳市諾貝爾獎科學家實驗室專案、廣東省催化重點實驗室、廣東省重點領域研發專案等部門的基金支援，同時感謝南方科技大學分析測試中心為課題組專案研究提供的大力支援。