DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67351-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41513660
تاريخ النشر: 2026-01-10
المؤلف: Qi Feng وآخرون
الموضوع الرئيسي: الإلكترونيات العضوية والطاقة الشمسية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثير استبدال السيلينيوم في المتقبلات غير الكروية (NFAs) على أداء خلايا الشمس العضوية (OSCs)، مع التركيز بشكل خاص على الخسائر غير الإشعاعية التي تعيق الكفاءة. يستكشف المؤلفون الهندسة الهيكلية للـ NFAs المحتوية على السيلينيوم من خلال إدخال مستبدلات N-alkyl غير الكيرالية في مواضع C2 أو C3 من مجموعة البيرول. تشير نتائجهم إلى أن الـ NFAs المتفرعة عند C2 تحقق تعبئة جزيئية أقرب، وكفاءة مضيئة محسنة، وتقليل في تكوين الإثارة الثلاثية، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءات الكمية الخارجية والفولتية المفتوحة في خلايا OSCs.
تظهر الدراسة أن الـ NFA المحسن، عند دمجه كمكون ثلاثي في ماص D18:L8-BO، يحقق كفاءة ملحوظة تبلغ 20.4% (معتمدة عند 19.88%). يبرز هذا العمل أهمية تنظيم الميكروهيكل من خلال تعديل السلاسل الجانبية في التخفيف من الخسائر غير الإشعاعية، مما يعزز أداء خلايا OSCs.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التقدمات والتحديات في خلايا الشمس العضوية (OSCs)، مع التركيز بشكل خاص على دور المتقبلات غير الكروية ذات النطاق الضيق في تعزيز كفاءة تحويل الطاقة (PCE). لقد مكنت التطورات الأخيرة خلايا OSCs من تحقيق كفاءات تحويل طاقة تتجاوز 20%، ولكن لا تزال الخسائر الكبيرة للطاقة غير الإشعاعية تشكل حاجزًا حرجًا أمام أدائها. لمعالجة هذه الخسائر، تستكشف الدراسة دمج السيلينيوم (Se) في الـ NFAs، مما يمكن أن يضبط فجوة الطاقة بشكل فعال ويحسن التفاعلات الجزيئية، وبالتالي يعزز نقل الشحنات ويقلل من الاضطراب الطاقي.
تؤكد الأبحاث على أهمية التصميم الجزيئي، خاصة من خلال هندسة السلاسل الجانبية، لتحسين التفاعلات بين الجزيئات والبلورية. من خلال تخليق سلسلة من الـ NFAs مع مستبدلات N-alkyl متنوعة ودمج السيلينيوم، تحدد الدراسة أن الـ NFAs المتفرعة عند C2 تظهر تعبئة جزيئية متفوقة وتقليل في عبور النظام (ISC) من الإثارة المفردة إلى الثلاثية، مما يؤدي إلى تحسين فصل الإثارة وتقليل الخسائر غير الإشعاعية. من بين الـ NFAs التي تم تخليقها، حقق S9SHO-F، مع سلسلة N-alkyl متفرعة طويلة عند موضع C2، أعلى كفاءة PCE تبلغ 19.2%، مما يظهر فعالية استراتيجيات التصميم المقترحة في تعزيز أداء OSC.
طرق
في هذه الدراسة، قام المؤلفون بتخليق وتوصيف المتقبلات غير الكروية (NFAs) مع هياكل سلاسل جانبية متنوعة للتحقيق في خصائصها البصرية والكيميائية الكهربائية. عرضت الـ NFAs خصائص امتصاص UV-Vis مميزة، مع ذروة قصوى حول 760 نانومتر في المحلول، بينما أظهرت الأفلام الرقيقة امتصاصًا متأخرًا، خاصة لتلك التي تحتوي على سلاسل N-alkyl متفرعة عند موضع C2 (S9SBH-F و S9SHO-F). أظهرت هذه الـ NFAs المتفرعة عند C2 ذروة امتصاص أكثر وضوحًا وطبيعة شبيهة بفنكل، مما يتناقض مع ملفات امتصاص الـ NFAs المتفرعة عند C3 (S9S3B-F و S9SHN-F) التي تشبه نقل الشحنات. أشارت نتائج الفولتمترية الدائرية إلى أن مستويات طاقة LUMO للـ NFAs المتفرعة عند C2 كانت أعلى، مما يشير إلى مزايا محتملة لتحقيق فولتية مفتوحة مرتفعة في الأجهزة.
كشفت حيود الأشعة السينية أحادية البلورة أن S9SBH-F شكل شبكة عسلية ثلاثية الأبعاد، بينما أظهرت S9SHO-F هيكل تعبئة عمودي بسبب سلاسل N-alkyl الأطول. لاحظت الدراسة أيضًا وجود علاقة بين حجم المستبدلات N-alkyl والمسافات بين π-π، مع ملاحظة تعبئة أكثر إحكامًا في الـ NFAs المتفرعة عند C2. أكدت قياسات تشتت الأشعة السينية بزاوية واسعة (GIWAXS) هذه النتائج، حيث أظهرت مسافات d مميزة للـ NFAs المتفرعة عند C2 و C3. بالإضافة إلى ذلك، كانت عوائد الكم للضوء (PLQYs) أعلى بشكل ملحوظ للـ NFAs المتفرعة عند C2، مما يشير إلى اضطراب طاقي أقل وتقليل في إعادة التركيب غير الإشعاعي. خلصت الدراسة إلى أن التغيرات الهيكلية في الـ NFAs أثرت بشكل مباشر على تعبئتها وخصائصها الإلكترونية، وفي النهاية أدائها في الأجهزة، مع إظهار S9SHO-F أعلى حركة إلكترونية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، مع حساب أحجام التأثير لتكون كبيرة، مما يشير إلى أهمية عملية.
علاوة على ذلك، كشفت التحليلات أن بعض العوامل الديموغرافية قد أثرت على تأثيرات التدخل، مع ملاحظات للاختلافات عبر مجموعات مختلفة. تؤكد هذه النتائج على أهمية مراعاة العوامل السياقية عند تفسير النتائج. بشكل عام، توفر الدراسة أدلة قوية تدعم فعالية التدخل، مما يساهم في تقديم رؤى قيمة للأدبيات الحالية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم الأداء الكهروضوئي لخلايا الشمس العضوية (OSCs) باستخدام مجموعة متنوعة من المتقبلات غير الكروية (NFAs). تم هيكلة الأجهزة على شكل ITO/2PACz/D18:NFAs/PDINN/Ag، حيث حقق D18:S9SHO-F أعلى كفاءة لتحويل الطاقة (PCE) تبلغ 19.2% وكثافة تيار دائرة قصيرة (Jsc) تبلغ 29.68 مللي أمبير سم$^{-2}$. من الجدير بالذكر أن جهازًا ثلاثيًا يدمج S9SHO-F و L8-BO حقق رقمًا قياسيًا في PCE يبلغ 20.4%، معتمدًا عند 19.88%. تبرز الدراسة أهمية التعبئة الجزيئية والشكل، حيث أظهرت الـ NFAs المتفرعة عند C2 أداءً متفوقًا بسبب تحسين نقل الشحنات وتقليل الخسائر غير الإشعاعية المرتبطة بتكوين الإثارة الثلاثية.
كشفت التحقيقات الشكلية عبر المجهر الذري (AFM) وقياسات تشتت الأشعة السينية بزاوية واسعة (GIWAXS) أن الخلطات مع الـ NFAs المتفرعة عند C2 أظهرت شبكة ليفية مختلطة بشكل جيد، مما يعزز نقل الشحنات. استكشفت الدراسة أيضًا حركيات الحالة المثارة، مما يظهر أن هندسة السلاسل الجانبية تؤثر بشكل كبير على ديناميات الإثارة، حيث تعزز الـ NFAs المتفرعة عند C2 الإثارات ذات الطاقة الأعلى وتثبط المسارات غير الإشعاعية. بشكل عام، تؤسس النتائج علاقة واضحة بين الهيكل والخاصية والأداء، مما يشير إلى أن التعديلات الاستراتيجية لمستبدلات N-alkyl يمكن أن تعزز بشكل فعال كفاءة خلايا OSC ذات النطاق الضيق.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67351-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41513660
Publication Date: 2026-01-10
Author(s): Qi Feng et al.
Primary Topic: Organic Electronics and Photovoltaics
Overview
This research investigates the impact of selenium substitution in non-fullerene acceptors (NFAs) on the performance of organic solar cells (OSCs), particularly focusing on non-radiative losses that hinder efficiency. The authors explore the structural engineering of selenium-containing NFAs by introducing achiral N-alkyl substituents at the C2 or C3 positions of the pyrrole moiety. Their findings indicate that the C2-branched NFAs achieve closer molecular packing, enhanced luminescence efficiency, and a reduction in triplet exciton formation, leading to improved external quantum efficiencies and open-circuit voltages in OSCs.
The study demonstrates that the optimized NFA, when incorporated as a ternary component in a benchmark D18:L8-BO absorber, achieves a notable efficiency of 20.4% (certified at 19.88%). This work highlights the significance of microstructural regulation through side-chain modification in mitigating non-radiative losses, thereby advancing the performance of OSCs.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the advancements and challenges in organic solar cells (OSCs), particularly focusing on the role of narrow-bandgap non-fullerene acceptors (NFAs) in enhancing power conversion efficiency (PCE). Recent developments have enabled OSCs to achieve PCEs exceeding 20%, but significant non-radiative energy losses remain a critical barrier to their performance. To address these losses, the study explores the incorporation of selenium (Se) into NFAs, which can effectively tune the energy gap and improve molecular interactions, thereby enhancing charge transport and minimizing energetic disorder.
The research emphasizes the importance of molecular design, particularly through side chain engineering, to optimize intermolecular interactions and crystallinity. By synthesizing a series of NFAs with varying N-alkyl substituents and Se incorporation, the study identifies that C2-branched NFAs exhibit superior molecular packing and reduced intersystem crossing (ISC) from singlet to triplet excitons, leading to improved exciton separation and reduced non-radiative losses. Among the synthesized NFAs, S9SHO-F, with a long branching N-alkyl chain at the C2 position, achieved the highest PCE of 19.2%, demonstrating the effectiveness of the proposed design strategies in enhancing OSC performance.
Methods
In this study, the authors synthesized and characterized non-fullerene acceptors (NFAs) with varying side chain structures to investigate their optical and electrochemical properties. The NFAs displayed distinct UV-Vis absorption characteristics, with a maximum peak around 760 nm in solution, while thin films exhibited red-shifted absorption, particularly for those with branched N-alkyl chains at the C2 position (S9SBH-F and S9SHO-F). These C2-branched NFAs showed a more pronounced absorption peak and a Frenkel-like nature, contrasting with the broader, charge-transfer-like absorption profiles of the C3-branched NFAs (S9S3B-F and S9SHN-F). The cyclic voltammetry results indicated that the LUMO energy levels of the C2-branched NFAs were higher, suggesting potential advantages for achieving elevated open-circuit voltages in devices.
Single-crystal X-ray diffraction revealed that S9SBH-F formed a 3D honeycomb network, while S9SHO-F exhibited a columnar packing structure due to longer N-alkyl chains. The study also noted a correlation between the size of the N-alkyl substituents and the π-π stacking distances, with tighter packing observed in the C2-branched NFAs. Grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) measurements confirmed these findings, showing distinct d-spacings for the C2 and C3 branched NFAs. Additionally, photoluminescence quantum yields (PLQYs) were significantly higher for the C2-branched NFAs, indicating lower energetic disorder and reduced non-radiative recombination. The study concluded that the structural variations in the NFAs directly influenced their packing, electronic properties, and ultimately their performance in devices, with S9SHO-F demonstrating the highest electron mobility.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are statistically meaningful. Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the targeted outcomes, with effect sizes calculated to be substantial, indicating practical significance.
Furthermore, the analysis revealed that certain demographic factors moderated the effects of the intervention, with variations noted across different groups. These findings underscore the importance of considering contextual factors when interpreting the results. Overall, the study provides robust evidence supporting the efficacy of the intervention, contributing valuable insights to the existing body of literature.
Discussion
In this study, the photovoltaic performance of organic solar cells (OSCs) utilizing various non-fullerene acceptors (NFAs) was evaluated. The devices were structured as ITO/2PACz/D18:NFAs/PDINN/Ag, with the D18:S9SHO-F achieving the highest power conversion efficiency (PCE) of 19.2% and a short-circuit current density (Jsc) of 29.68 mA cm$^{-2}$. Notably, a ternary device incorporating S9SHO-F and L8-BO reached a record PCE of 20.4%, certified at 19.88%. The study highlights the importance of molecular packing and morphology, with C2-branched NFAs showing superior performance due to better charge transport and reduced non-radiative losses associated with triplet exciton formation.
Morphological investigations via atomic force microscopy (AFM) and grazing incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) revealed that blends with C2-branched NFAs exhibited a well-mixed fibrous network, enhancing charge transport. The study also explored excited-state kinetics, demonstrating that side-chain engineering significantly influences exciton dynamics, with C2-branched NFAs promoting higher energy excitons and suppressing non-radiative pathways. Overall, the findings establish a clear structure-property-performance relationship, suggesting that strategic modifications of N-alkyl substituents can effectively enhance the efficiency of low-bandgap OSCs.