Accounts of Chemical Research：简单高效非稠环电子受体材料

Accounts of Chemical Research：简单高效非稠环电子受体材料

自非富勒烯受体材料问世以来，有机太阳能电池（OSCs）的能量转换效率（PCE）已取得了长足进展，目前超过了20%。因此，OSCs的实际应用逐渐被提上日程。高效的OSCs多采用稠环分子作为关键的活性层中的电子受体材料，而稠环分子的合成步骤相对较长，且必须包含收率低的环化反应，所以，从成本角度来看，稠环电子受体材料并不占优势。与之对应的非稠环电子受体（NFREAs）材料，合成相对简单，无须进行环化反应，在降低OSCs成本上有较大潜力。

近年来，本课题组围绕NFREAs材料做了系统性的工作（Nat. Energy 2024, 9, 1117–1128; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139 (9), 3356–3359； Nat. Commun. 2019, 10, 3038; Adv. Mater. 2024, 36 (7), 2307292; Adv. Mater. 2024, 36 (4), 2310362; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202412854; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59 (50), 22714–22720; Adv. Energy Mater. 2021, 11 (45), 2102591）。在本文中，我们基于课题组多年来的工作，回顾了NFREAs材料从出现初期的PCE不足10%到目前的PCE跨越19%的门槛的发展历程，并提出了一些关于NFREAs材料设计的见解。2017年，我们提出运用分子内非共价键作用构筑电子受体材料，证明该策略用于构筑高效电子受体材料是行之有效的，并获得了9.6%的PCE。不过此时的受体材料仍然是以多稠环化合物为基础核心。2019年，在前期工作基础上，我们利用相对更易合成的环戊烷并二噻吩单元结合分子内非共价键相互作用，设计了一系列NFREAs材料，OSCs的最高PCE能达到13.24%。相比两年前的材料，此时NFREAs的核心骨架已经逐步脱离了对多稠环的依赖。一年后，我们报道了以四联噻吩为核心的NFREAs，虽然基于其的OSCs的最高PCE只有10.26%，但这表明NFREAs的给体单元是可以完全不使用稠环模块的。此后，随着“位阻诱导的平面分子骨架”这一概念的重要性逐渐被认识到，NFREAs的发展进入快车道。2021年，基于以二苯胺为位阻侧基的NFREAs的OSCs最高PCE能达到15.44%。最近，通过优化器件制备工艺，该类材料的光伏性能更上一个台阶，PCE叩开了19%的大门。

随着NFREAs材料的快速发展，其光伏性能即将追赶上稠环电子受体材料，我们也在文章的最后提出了一些浅薄之见，仅为引玉之砖。分子构型和聚集行为调控：利用分子内相互作用，增大骨架刚性，降低OSCs的非辐射能量损失；借助超分子自组装策略，诱导分子间形成三维堆积，增加载流子传输通道等。此外，与NFREAs相匹配的给体聚合物的开发以及新制备工艺的探索也是提升OSCs光伏性能的重要途径。NFREAs的快速发展与普适性较好的给体聚合物D18、PM6等材料的出现不无关系。以二苯胺为侧基的NFREAs，在经过工艺优化后，OSCs的最大PCE从不足16%到超过19%就足以体现器件制备工艺的重要性。毕竟，千里马常有，而伯乐不常有，简单高效非稠环电子受体的开发任重道远。相关综述以题为“Emergence of Low-Cost and High-Performance Nonfused Ring Electron Acceptors”于2024年11月20日发表于Accounts of Chemical Research期刊。

课题组在Accounts of Chemical Research上发表综述论文。

链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.4c00592