我国学者在有机太阳能电池领域取得进展

　　

图1 二聚化受体的构象调控及光伏性能

图2 （a-b）三个二聚化受体材料在稀溶液和薄膜中的UV-vis和PL光谱；（c）以电子受体为例，光电转换过程中基态(S0)、最低单线态激发态(S1)和离子态之间的电子跃迁示意图；（d-f）激子能量转移、激子解离（空穴转移或电子转移）以及电子传输过程的重组能

图3 （a）基于D18:二聚化受体的有机太阳能电池器件的J-V曲线图；（b）基于D18:DYF-TF器件的效率认证结果；（c）已报道的有机光伏器件开路电压与效率关系图；（d）外量子效率曲线图；（e）三个二聚化受体器件的能量损失和乌尔巴赫能统计图；（f）Jsc对光强的依赖性分析

　　在国家自然科学基金项目（批准号：51925306、52103352、52120105006）等资助下，中国科学院大学黄辉/张昕团队在高效、稳定的有机太阳能电池研究中取得进展，相关成果以“二聚化电子受体的构象调控可实现高效、稳定和低能量损失的有机太阳能电池（High-Efficiency and Low-Energy-Loss Organic Solar Cells Enabled by Tuning Conformations of Dimeric Electron Acceptors）”为题，于2023年2月14日在线发表于《中国化学会会刊（英文）》（CCS Chemistry）杂志。论文链接：https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/ccschem.023.202202575。

　　近年来，基于非富勒烯受体的有机太阳能电池最高光电转换效率已突破19%，其表现出的巨大应用前景引起了学术界和工业界的广泛关注。然而，目前有机太阳能电池面临着稳定性和聚合物材料批次性等诸多问题，严重制约了有机太阳能电池的产业化进程。最近，国内外研究人员提出将高性能非富勒烯受体作为单体，中间采用π桥单元连接构建寡聚化受体（通常是稠环电子受体的二聚体）的策略，这类材料可以结合小分子和聚合物的优点，兼具明确的分子结构和良好的批次重复性，在保持良好稳定性的同时表现出显著增强的光伏性能（>18%)。然而，其单体与π桥之间可旋转的σ单键影响了分子骨架整体的平面性，不利于形成有序的分子堆积和高效的电荷传输，严重限制光电转换效率的进一步提升。因此，如何有效调控二聚化受体的平面构象从而构建高性能受体材料是急需解决的科学问题。

　　针对二聚化电子受体中额外引入单键导致分子骨架扭曲的问题，研究人员通过逐步引入非共价“构象锁”（NoCLs）策略增强分子的平面性和刚性，从而获得更紧密和有序的堆积以及较低的重组能。为了揭示构象调控对光伏性能的影响，研究者将二聚化受体用于制备有机太阳能电池器件。得益于四重S???F非共价“构象锁”的引入，基于二聚化电子受体DYF-TF的有机太阳能电池器件获得了高达18.26%的光电转化效率（中国计量科学研究院的官方认证效率为17.6%）和极低的能量损失（0.493 eV），创造了当时基于寡聚化电子受体有机太阳能电池的最高纪录效率。

　　此外，基于含有四重S???F非共价“构象锁”DYF-TF的二元器件表现出良好的稳定性（T_80% = 2681 h），这使得DYF-TF在实际应用中将具有显著优势。此外，通过添加5 wt%的Y6作为第三组分构建了三元器件（D18:DYF-TF:Y6），并获得18.73%的光电转换效率，进一步展现了DYF-TF在高性能光伏器件中的应用潜力。

　　本工作将非共价“构象锁”策略成功应用于二聚化受体分子的构象调控，为设计高平面性和高性能的寡聚化受体材料提供了新的思路。