第一作者：周圆圆，李淼，路皓
通讯作者：宋金生教授、薄志山教授
通讯单位：河南大学、北京师范大学
论文DOI：10.1002/adfm.202101742
本文亮点
1. 利用简单的四联噻吩为分子骨架，借助侧链工程设计了具有不同结晶聚集行为的系列完全非稠环电子受体（4T受体）；
背景介绍
有机太阳能电池因其器件结构简单、质轻、柔性和大面积溶液加工等优点，受到了广泛关注。近年来，随着材料设计的不断发展、器件工艺水平的提升以及对器件物理的深入理解，基于稠环电子受体的有机光伏器件的光电转换效率已经超过至18%。然而，面向实际应用制备成本是除光电转换效率之外另一重要因素。
多数稠环电子受体具有复杂的多元芳香共轭母核，需要经过多步合环反应及提纯过程，不可避免地带来合成成本的增加，严重地制约了其潜在的商业化应用。因此，开发高效率、低成本的受体材料是有机光伏材料实际应用的关键。
在前期的工作中，我们研究团队首次提出了基于分子内非共价相互作用的简单稠环电子受体的合成策略，避免多元稠环复杂的关环合成步骤，从而降低合成的复杂程度（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3356-3359；Nat. Commun. 2019, 10, 3038）;所报道的几种结构简单的非稠环电子受体，都展现了与稠环受体相较的光伏性能。随后，基于简单稠环电子受体的研究工作得到了广泛的关注（Chem. Commun., 2021, 57, 302）。
内容简介
明星材料聚3-己基噻吩（P3HT）是可以商业化量产的低成本聚合物给体，受其启发河南大学宋金生教授与北京师范大学薄志山教授研究团队采用简单的四联噻吩为分子骨架，通过侧链的系统调控，获得了系列完全非稠环电子受体（4T系列）。利用侧链种类的差异实现了对受体分子吸收范围、能级，特别是聚集行为的调控。其中，含有四个2-乙基己基侧链（EH）的分子4T-3与给体聚合物PBDB-T实现了良好的相容性，其共混薄膜展现了高且平衡的电荷传输特性，其光电转换效率达到了10.15%。作者进一步研究了其同其它高性能聚合物给体的匹配性，基于4T-3:D18的有机光伏器件的光电转换效率可以达到12.04%，是目前基于完全非稠合受体最高光伏性能之一。借助光伏性能与合成成本效益的评估方法，分子4T-3具有极高的品质因子（figure-of-merit，FOM）值（32.8），展现了良好的商业化应用潜力。
图文解析
4T系列受体分子具有完全相同的分子共轭骨架，其侧链修饰的种类对分子的吸收、能级以及固体状态下的堆积方式均有不同程度的影响。其在氯苯稀溶液中展现了非常相似的吸收光谱，然而，由于烷基链的空间位阻效应的调制，全己基修饰的4T-1分子在薄膜状态下呈现了与其它分子截然不同的吸收光谱，这主要是其固态薄膜中过于紧密的分子聚集所造成的。
图1. 四种受体材料在(a)稀溶液和(b)薄膜热退火后的紫外可见吸收光谱；(c)能级图；(d) 纯膜和共混膜的荧光光谱。
以聚合物PBDB-T为给体、4T系列分子为受体进行太阳能电池器件的加工，其中4T-3显现出了较优的光伏性能。基于PBDB-T:4T-3的有机光伏器件可实现10.15%的光电转换效率；当以宽带隙聚合物D18作为给体时，4T-3的器件的光电转换性能进一步提升可以达到12.04%，这是目前报道的基于完全非稠环受体最高效率之一。
图2.基于PBDB-T:4T器件的相应的光伏性能
掠入射广角X射线衍射 (GIWAXS) 测试表明，受体分子4T-1和4T-4纯膜具有更加有序的分子排列。与PBDB-T共混后，共混膜PBDB-T:4T-1中聚合物和受体分子的结晶性均有所减弱，表明小分子的结晶将对聚合物的有序堆积产生影响；而其他三种分子的共混膜主要呈现face-on的堆积方式。结合AFM和TEM分析发现，由于四种受体分子溶解性的差别，四种共混膜呈现出不同程度的相分离。
图3.掠入射X射线衍射图
通过对比已报道的代表性稠环电子受体和本文所报道的完全非稠合4T-3分子，计算其成本-效率品质的FOM因子，可以发现，虽然COi8DFIC、ITIC-4F和Y6等明星分子在光伏器件中表现出较高的光电转换效率，但是由于其相应稠合母核合成的复杂程度导致其相应较低的FOM值（分别为13.4、22.8和23.4）；而非稠合的4T-3分子具有简易的合成步骤，获得了极高FOM因子（32.8）；表明结构简单的4T系列完全非稠合受体材料在未来的商业应用中极具潜力。如果该系列完全非稠合受体材料的光电转换效率进一步提升至15%，其FOM因子将有望突破40，这将极大地助力有机光伏的实际商业化应用。
图4.具有代表性的非富勒烯受体的FOM值对比
总结与展望
完全非稠环电子受体材料极大地简化了受体分子的合成步骤、降低了合成难度，同时表现出优异的光伏性能，为面向实际应用的有机光伏材料的设计与合成提供了新的分子设计策略，具有极佳的发展潜力。
通讯作者介绍
宋金生，教授，博士生导师，现就职于河南大学。河南省高层次人才特殊支持计划“中原青年拔尖人才”，河南省杰出青年基金获得者，“黄河学者”，河南省教育厅学术技术带头人，河南省青年骨干教师，河南省高层次人才（C类）。2004、2007年分别于湖南大学获得学士、硕士学位，2010年于中国科学院化学研究所获博士学位，2010-2012年美国华盛顿大学化学系博士后。先后从事染料敏化，聚合物太阳能电池，有机非线性电光材料等方面的研究工作。2012年加入河南大学，主要从事有机光电功能材料方面的研究工作。
薄志山，教授，博士生导师，现就职于北京师范大学。国家杰出青年基金获得者（2002）、教育部长江学者特聘教授（2015-2020），教育部能量转换与存储材料长江学者创新团队带头人，能量转换与存储材料北京市重点实验室主任。吉林大学学士、硕士、博士，德国柏林自由大学和美国北卡州立大学博士后，2002年任中国科学院化学研究所研究员，2010年加入北京师范大学，主要从事共轭聚合物光电功能材料的合成与性能研究。
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