在全球能源转型的浪潮中，有机光伏（OPV）电池凭借柔性、轻质、低成本等优势，成为新能源领域的研究热点。当前，非富勒烯受体（NFA）的分子工程推动OPV功率转换效率（PCE）突破20%。其中，氟化策略作为核心技术手段，通过氟原子特有的强电负性和空间效应，实现了对活性层材料光物理性质、激子动力学过程及纳米级相分离行为的协同优化，为突破器件性能极限提供了核心思路。尽管氟化在提升OPV效率上成效显著，但当前的设计主要依赖于端基修饰与器件性能之间的经验关联。这种过于简化的方法忽略了跨量子尺度电子态、形态演化动力学、以及宏观器件物理的层级因果关系，最终限制了对各种分子结构的精确氟化，并制约了性能的提升。因此，亟需围绕上述跨尺度机制瓶颈开展系统探究，通过解析氟化诱导的分子构象-电子参数关联规律，阐明活性层形貌演化的热力学与动力学机制，构建“氟化修饰-形貌特征-器件性能”统一理论框架，为高性能OPV器件的理性分子工程与形貌优化提供关键理论支撑。

  针对上述问题，西北工业大学刘剑刚教授团队采用了靶向分子氟化策略，选择Y5及其氟化衍生物Y6作为模型体系。通过整合量子力学计算与形态分析技术，建立了分子结构、形态演变动力学与器件性能之间的明确关联，为破解氟化调控机制难题提供了系统性解决方案。从分子层面看，Y6中的氟化使分子构象紧凑并提高了主链共面性，同时降低了重组能并提高了电荷转移积分，从而促进载流子传输。优化的分子几何结构进一步降低了激子结合能，同时扩大了能级偏移，从而促进高效的激子解离。在形态调控层面，氟化策略降低了PM6和Y6之间的相容性，同时增强了Y6分子之间的非共价相互作用。这种独特的热力学特征促使PM6/Y6体系在成膜过程中趋向于结晶诱导的固-液相分离——这一过程加速了成核动力学，同时延长了晶体生长持续时间，最终形成了具有最佳相区尺寸和更高结晶匹配度的纳米互穿网络结构。相比之下，非氟化的Y5体系经历相分离诱导的结晶，产生小相区尺寸，且共混相含量高、缺陷态密度大。这些优势最终实现了平衡的电荷传输和高效的激子解离，使PCE从8.23%显著提升至18.12%。关键的是，氟化策略展现出普遍适用性，PM6/Y18（氟化，PCE=18.51%）相较于PM6/Y16（非氟化，PCE=4.31%）实现4.3倍效率提升，且在PM6/Y6-BO（18.05%）、PM6/N3（18.24%）和PM6/L8-BO（19.20%）等氟化体系中均表现出稳定的高性能。

图1.（A）PM6、Y5和Y6的分子结构；（B）PM6、Y5和Y6薄膜的紫外-可见吸收光谱；；（C）PM6/Y5和PM6/Y6薄膜的紫外-可见吸收光谱；（D）PM6、Y5和Y6的能级；（E 和H）Y5和Y6的二面角和优化几何结构；（F和I）分别为Y5和Y6中分子片段之间的电荷转移；（G和J）Y5和Y6的ESP分布及直方图。

图2.（A和B）Y5和Y6的Hirshfield片段中原子与所有其他原子之间接触表面的指纹图谱；（C和D）Y5和Y6的中心分子中的X元素与外围分子中的Y元素之间局部接触表面的分解指纹图谱；（E）Y5:Y5和Y6:Y6二聚体的sign (λ₂)ρ和RDG函数。

图3.（A和D）PM6/Y5和PM6/Y6薄膜的原位吸收等高线图；（B和E）PM6的强度演变曲线；（C和F）Y5或Y6 的强度及峰值位置演变曲线；（G和J）PM6的Avrami拟合结果；（H和K）Y5或Y6的Avrami拟合结果；（I和L）PM6与Y5或Y6的溶胀、结晶及生长速率。

图4.（A 和 B）PM6/Y5和PM6/Y6的原位光致发光光谱；（C 和 D）PM6/Y5和PM6/Y6 1D曲线；（E和F）有/无CN的Y5以及有/无CN的Y6的分子动力学示意图；（G和H）Y5:Y5 和 Y6:Y6 的质心径向分布函数；（I）CN:Y5 和 CN:Y6 的分子间堆积图。

图5.（A和D）AFM高度图像；（B和E）AFM相位图像；（C和F）TEM图像；（G和H）基于PM6/Y5和PM6/Y6的（G）F 1s和（H）N 1s的DXPS图谱；（I和L）PM6和Y5（Y6）的含量分布。

图6.（A-D）薄膜的二维GIWAXS图；（E）Y5和Y6的1D GIWAXS曲线；（F）Y5和Y6的（010）衍射峰极图；（G）PM6/Y5和PM6/Y6共混膜的1D GIWAXS曲线；（H）PM6/Y5和PM6/Y6共混膜（010）衍射峰极图；（I和M）PM6/Y5和PM6/Y6薄膜的紫外-可见吸收光谱实验及拟合；PM6/Y5薄膜中（J）PM6和（K）Y5的拉曼映射；（N）PM6和（O）Y6在PM6/Y6薄膜中的拉曼映射；（L和P）给体相、受体相和共混相的组分分布图。

图7.（A）PM6/Y5和PM6/Y6器件的J-V曲线，（B）EQE光谱，（C）μ_h/μ_e值，（D）J_ph-V_eff特性，（E）J_SC-P_light曲线，（F）V_OC-P_light曲线；750 nm激发下PM6/Y5和PM6/Y6薄膜的（G和H）TA光谱；（I）Y5和Y6的PL和吸收光谱，以及它们的基态和激发态的能级图。

图8.（A和D）Y16和Y18的分子结构；（B和E）Y16和Y18中分子片段间的电荷转移；（C和F）Y16、Y18静电势及分布直方图；（G和J）Y16:Y16以及Y18:Y18的sign(λ₂)ρ和RDG函数；基于不同器件的Y16:Y16和Y18:Y18（H和K）J-V曲线和（I和L）EQE光谱。

  该工作以“Unraveling Cross-Scale Fluorination Mechanisms in Non-Fullerene Acceptors for High-Efficiency Organic Photovoltaics”为题发表在国际期刊《Advanced Functional Materials》上。西北工业大学为论文第一完成单位，电子信息学院博士研究生刘幸鹏为论文第一作者，西北工业大学刘剑刚教授等为论文的共同通讯作者。本研究得到陕西省杰出青年、国家自然科学基金等项目的支持。

  论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202517542