有机太阳能电池（OSCs）具有独特属性，如柔韧性、溶液可加工性、轻质和低成本，近年来引起了广泛关注。这些属性使得OSCs在室内光伏、半透明窗户和可穿戴设备等多个领域具有潜在的应用前景。随着共轭材料的创新，包括给体聚合物和电子受体，OSCs已经取得了显著进展。2015年，Zhan等人报道了一种融合环电子受体ITIC，能够替代富勒烯电子受体，为OSCs的研究开辟了新的篇章。2019年，Zou等人开发了一种基于融合苯并噻二唑（BT）核心的“A-D-D-A”结构的Y型受体，实现了OSCs的功率转换效率（PCE）达到15.7%。通常，通过修改侧链、端基（卤素原子）或替换BT核心等方法来进一步提升PCE。更重要的是，使用三种共轭材料的三元有机太阳能电池（T-OSCs）是进一步提高PCE的有效策略。通过这些努力，OSCs的PCE已经超过了19%。
T-OSCs通常使用二元电子给体和受体作为主要组分，并添加第三种共轭材料。为了提高OSCs的性能，第三种材料应满足两个条件：与电子给体或受体具有良好的相容性以形成“合金状”结构；并且其能级与给体和受体形成级联，以促进电荷分离。一些研究还发现，第三种组分具有高玻璃转化温度，可以提高T-OSCs的热稳定性。最近，Y型受体衍生物已被用作T-OSCs的主要和第三种组分，因为两种Y型受体通常具有良好的相容性。例如，Chen等人开发了一系列具有可调端基的不对称Y型受体作为第三种组分，使T-OSCs实现了超过19%的效率。Jen、Wang和Li等人将Y型受体中的噻吩替换为硒吩，提供了高电荷传输和改善的光伏性能。Chen等人使用带有多个F（Cl）原子的2-（3-氧代-2,3-二氢吲哚-1-亚基）丙二腈（IC）端基合成Y型受体，其中F（Cl）原子提高了结晶度并降低了前沿能级，从而增强了基于这些受体的T-OSCs的性能。
除了使用Y型受体作为第三种组分，一些研究还专注于在T-OSCs中使用两种给体聚合物和一种受体。一个成功的示例是使用两种知名的给体聚合物PM6和D18作为合金系统与受体L8-BO混合，实现了T-OSCs的PCE为19.3%。Liu等人发现，这种三元体系形成了双纤维网络，导致增强的激子扩散长度和减少的电荷复合。Peng等人还合成了几种新的给体聚合物，可以作为OSCs的第三种组分，效率超过19%。
与给体聚合物和Y型受体不同，共轭小分子给体也已被用作T-OSCs的第三种组分（图1a和图S1）。这些分子通常具有融合的苯并二噻吩（BDT）核心和3-乙基哌啶（Rh）或其衍生物作为端基，形成A-D-A构型。Rh单元的电子吸引能力比IC基团低，因此基于Rh的共轭分子通常可以在OSCs中充当电子给体。Chen等人开发了一系列基于Rh的小分子作为电子给体，并在与富勒烯或非富勒烯受体结合时取得了令人印象深刻的PCE。基于这些研究，这些基于Rh的小分子也已被用作T-OSCs的第三种组分，PCE接近19%（图1b和表S1），不幸的是，这些性能低于基于Y型受体或给体聚合物的第三种组分。
由于这些共轭材料有很大的机会定制化学结构，从而表现出可调的性能，可以预见，这些分子的创新将为进一步提升T-OSCs的性能提供极好的机会。在这项工作中，我们旨在开发基于乙烯二氧噻吩（EDOT）单元的Rh型A-D-A小分子作为OSCs的第三种组分。EDOT是一种知名的共轭材料构建块，例如孔传输层聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）。EDOT具有强烈的电子给予能力，使得共轭材料具有小的带隙。此外，EDOT上的O原子可以与噻吩单元上的S原子形成构象锁，导致平面骨架可以替代融合单元如BDT。Huang等人表明，构象锁是提高共轭材料结晶度和电荷传输性能的最强大设计工具。
基于这些观察，我们合成了一种新的共轭分子SD-EDOT（图1c），包含1,4-烷氧基苯基核心、EDOT桥和Rh端基。我们还开发了噻吩（T）类似物SD-T以供比较。根据模拟结果，SD-EDOT骨架具有更负的表面电势（图1c），这可以赋予它与光活性层材料更强的相互作用，从而可能促进电荷生成。此外，EDOT与端基Rh组之间的较高旋转能量障碍有利于更高的共面性和结晶度（图S2）。有趣的是，SD-EDOT由于EDOT单元而具有多个构象锁，导致晶体中独特的二维（2D）层级结构，有助于高效的电荷传输。相比之下，基于T的SD-T由于较少的构象锁形成了一维（1D）结构以进行电荷传输，因为SD-T紧密包装的共轭骨架被其他两个方向的烷基侧单元隔离。此外，强电子给予EDOT还使SD-EDOT能够与给体聚合物PM6和受体L8-BO形成级联能级。因此，SD-EDOT成功地作为T-OSCs的第三种组分，提供了高达19.3%的PCE，相比之下，二元OSCs为18.3%，基于SD-T的T-OSCs为18.7%。这项工作表明，EDOT是一种非常有前途的共轭材料构建块，具有多个构象锁，在OSCs中具有巨大的潜在应用。
https://doi.org/10.1002/anie.202403015