【材料】“大环包裹”策略助力四噻吩有机光伏受体- 大数跨境

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2023-12-01

导读：河南大学宋金生教授课题组提出了一种“大环包裹”精准构筑策略，用于FNEAs材料的设计，合成了R4T-1受体分子

有机太阳能电池因质量轻、半透明和柔性等特有的优势，已展现出广阔的应用前景。近年来，得益于新型光伏材料的开发和器件制备技术的优化，促使有机光伏的效率已超过19%。当前，有机光伏的发展已达到商业化应用基本条件，进而如何实现低成本、高稳定性的有机光伏器件已成为该领域主要研究的内容之一。目前，具有结构简单的部分或完全非稠环电子受体材料展现出巨大的应用前景，二元器件效率已超过16%，有望满足未来低成本和高效率的要求。

前期工作中，河南大学宋金生教授课题组针对该问题，以简单的噻吩单元通过单键相连构筑了三、四噻吩骨架，报道了系列完全非稠环电子受体（FNEAs）（Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2101742; J. Mater. Chem. A, 2023, 11, 7498-7504），其中4T-3分子展现了优异的光伏性能-成本效益品质因子。然而，其分子骨架的扭曲严重制约了分子间高效电荷通道的构筑致使短路电流密度（J_SC）较低。当前，为了减小FNEAs分子共轭骨架的扭曲程度，实现的平面化构象，其构筑策略主要是在分子内引入非共价相互作用 (O••S、F••S、N••S、H••F等)或分子骨架中心引入空间位阻两种策略。总之，由于单键固有的自由旋转性质，分子构象仍存在一定的不确定性，势必影响分子的共轭和分子间的有效堆叠。因此，解决分子构象单一性问题、构筑有效电荷传输通道是发展高性能FNEAs的关键途径。

近日，河南大学宋金生教授课题组提出了一种“大环包裹”精准构筑策略，用于FNEAs材料的设计，合成了R4T-1受体分子。单晶结构显示，外侧共价环化的侧链可以完美地包裹分子骨架中心，限制了单键自由旋转、实现了骨架的平面化、获得了高稳定的单一分子构象。同时，共价大环结构提供了足够的空间位阻，抑制了分子间的聚集，使π-π堆积仅发生在端基（A/A和A-π/π-A两种堆积模式）；另外，紧密的π-π堆积确保了分子间电荷的高效传输。

图1. RT4-1单晶结构及分子堆积形式

最终，通过选择JD40作为给体材料，R4T-1的有机光伏器件效率超过15%，J_SC达到了25.48 mA/cm²，为目前已报道的FNEAs材料中的最高值。此外，研究结果表明，共价环包裹结构赋予分子平面的共轭骨架，可有效拓宽分子的吸收光谱，实现了FNEAs的构象单一化，最终获得了稳定的分子构象、紧密有序的分子堆积模式。总之，“大环包裹”的分子设计策略将为FNEAs的深入而系统的研究提供理想的分子研究模型，同时也为高性能FNEAs的设计提供了一种新的侧链功能化设计思路。

图2. 有机光伏器件参数图（J-V、EQE、PCE统计、文献J_SC-PCE相关、J_SC-P_light，J_ph_-V_eff）

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是河南大学博士研究生申帅帅和2022级硕士生米雨。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Macrocyclic Encapsulation in a Non-fused Tetrathiophene Acceptor for Efficient Organic Solar Cells with High Short-Circuit Current Density

Shuaishuai Shen, Yu Mi, Yanni Ouyang, Yi Lin, Jingjing Deng, Wenjun Zhang, Jianqi Zhang, Zaifei Ma, Chunfeng Zhang, Jinsheng Song, Zhishan Bo

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202316495

宋金生教授简介

宋金生，教授，博士生导师。于2004和2007年在湖南大学获得学士与硕士学位，2010年于中国科学院化学研究所获博士学位，2010-2012在美国华盛顿大学从事博士后研究，2012年加入河南大学，现任职于河南大学纳米科学与工程研究院。先后获得河南省杰出青年基金，河南省高层次人才特殊支持计划“中原青年拔尖人才”，“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，河南省青少年科技教育精准服务试点专家等荣誉称号。目前，主要从事新型有机共轭材料、有机太阳能电池、柔性电子器件、共轭高分子化学等方面的研究工作，在J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等期刊发表SCI论文50余篇，专利3件，作为章节作者受邀与国内外学者合著太阳能电池领域著作1部，先后主持获批国家自然科学基金4项及多项省部级项目。

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