Chemistry of Materials 研究论文：A–DA'D–A型五环受体助力高效率低成本有机太阳电池的发展

第一作者：王志强、魏文魁、曾粮、刘涛

通讯作者：段春晖*

单位：华南理工大学

近年来，随着新型光伏材料特别是非富勒烯受体材料的发展和器件工程的进步，有机太阳能电池（OSC）已经实现了超过19%的功率转换效率（PCE）。但是纵观有机光伏领域，高效材料（例如Y6、BTP-eC9、PM6、D18）的合成路线普遍比较冗长，合成路线长所带来的高昂成本问题严重限制了此类材料的大规模生产以及OSCs的商业化进程。有研究报道，OSC活性层材料的成本在材料总成本中占比接近50%。因此，简化活性层材料的合成，降低合成成本是实现OSCs商业化的必经之路。

近日，华南理工大学的段春晖教授在国际知名期刊Chemistry of Materials上发表题为“A−DA′D−A-Type Pentacyclic Fused-Ring Electron Acceptors for Efficient Organic Solar Cells”的文章。文章结果表明A−DA′D−A型五环（pentacyclic）受体能够在显著降低合成复杂度（SC）的同时实现较高的器件效率，而且保持较高的稳定性。与高性能受体相比，A−DA′D−A型五环受体表现出更好的商业化应用潜力。

在该工作中，作者采用“缩环”策略，以便宜易得的3-辛基噻吩为起始原料，利用侧链工程设计合成了三例A−DA'D−A型五环受体（BTPT4F-EH、BTPT4F-BO和BTPT4F-HD）。无论是与七环受体IT-4F、Y6、M3（SC分别为53%、74%和54%）相比还是与非稠环受体NoCA-5、A4T-16（SC分别为91%、52%）相比，五环受体（BTPT4F-BO）均表现出最低的SC（42%）。

以PBCT-2F为给体（Energy Environ. Sci., 2021, 14, 5530–5540），基于BTPT4F-BO的光伏器件获得了最高15.0%的PCE。通过品质因子（FOM = PCE/SC）来评估受体材料的发展潜力，在众多受体材料中，BTPT4F-BO表现出最优的FOM（0.36）。上述结果说明，A–DA'D–A型五环受体是未来OSCs工业制造中极具竞争力的候选材料。

晶体解析对了解受体的分子构象，分子堆积以及分子间的相互作用有至关重要。本工作首次解析了五环受体（BTPT4F-BO）的晶体结构。研究发现，由于S··O非共价构象锁的存在，BTPT4F-BO分子表现出良好的分子平面性。上下层分子通过端基之间的–相互作用（2.89 Å，3.31 Å）进行堆叠，而且前后两个分子中的氰基间存在较强的氢键作用（2.59Å）。此外，吡咯环上的柔性烷基侧链向共轭平面两侧伸展，有效地防止了受体的过度聚集。与七环受体晶体中的三维网状堆积不同，BTPT4F-BO形成独特的二维阶梯状堆积，这能够保证其固态下的电荷传输。

良好的稳定性是OSC实现商业化的必备条件，因此本工作将五环受体和七环受体（Y6）的稳定性进行了对比。研究发现，无论是储存稳定性还是热稳定性，随着侧链长度的增加，基于BTPT4F-EH、BTPT4F-BO和BTPT4F-HD器件的稳定性都逐渐增强。并且可以看到，BTPT4F-BO器件稳定性与七环受体Y6相当，而BTPT4F-HD的器件稳定性甚至优于Y6。上述结果表明，A-DA'D-A型五环受体不仅在效率和成本之间保持了良好的平衡，而且拥有良好的器件稳定性。这些优点使A-DA'D-A型五环受体成为未来OSC大规模制造中的优异待选材料。

然而，五环受体在器件效率上仍然与七环受体存在一定差距。通过对器件能量损失进行分析，作者发现，五环受体的能量损失（0.63−0.65 eV）高于七环受体Y6（0.52 eV），并且主要是由于非辐射复合能量损失（ΔE3）所引起的。因此，降低五环受体光伏器件的能量损失是后续提高五环受体器件效率的重要方向之一。

“A−DA′D−A-Type Pentacyclic Fused-Ring Electron Acceptors for Efficient Organic Solar Cells”

段春晖 教授 简介：华南理工大学教授，博士生导师，国家级人才计划青年项目入选者，广东省青年珠江学者。2013年在华南理工大学获得博士学位，随后在埃因霍温理工大学开展博士后研究，2017年7月起任华南理工大学教授。主要从事有机高分子光电材料与器件的研究，提出了多重共振效应有机光伏材料的学术思想；多次创造聚噻吩太阳电池的世界纪录效率；开发了硼氮稠环、氰基噻吩等多个原创性有机光伏材料体系；推动了线性D–A型光伏聚合物的复兴。至今在Chem. Soc. Rev., Joule, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等国际顶级学术期刊发表SCI论文120余篇，论文获他人引用6500余次，H-因子42。目前担任中国感光学会光电材料与器件专业委员会副主任委员、国际期刊Energy Materials副主编，是Chinese Chemical Letters（中国化学快报）、Journal of Semiconductors（半导体学报）、Journal of Functional Polymers（功能高分子学报）、Chinese Journal of Lasers（中国激光）等多个学术期刊的青年编委。

段春晖教授课题组隶属于华南理工大学材料科学与工程学院，是有机光电领域国内外知名的研究基地——发光材料与器件国家重点实验室的骨干组成部分，具有十分优越的研究条件。我们课题组是一个学科高度交叉融合的研究团队，由化学、材料、半导体、光电技术等不同专业背景的成员组成，能够开展“有机合成→材料表征→器件集成”的全链条研究。我们的研究以π-共轭有机高分子光电功能材料的分子设计与合成为基础，结合材料物理性质的表征与分析，侧重于开展有机太阳电池、近红外光探测器等新型光伏与光电子器件的基础研究与技术开发。

投稿请联系contact@scimaterials.cn