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【综述】Acc. Chem. Res.：简单高效非稠环电子受体材料

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2024-12-01 08:09

正文

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，本文作者团队围绕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. E d. 2024 , e202412854; Angew. Chem. Int. Ed. 2020 , 59 (50), 22714–22720; Adv. Energy Mater . 2021 , 11 (45), 2102591）。在本文中，作者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，他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，他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，他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，作者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。相关综述近日发表于 Accounts of Chemical Research 期刊。

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Emergence of Low-Cost and High-Performance Nonfused Ring Electron Acceptors

Pengcheng Jiang, Yahui Liu*, Jinsheng Song*, Zhishan Bo*

Acc. Chem. Res ., 2024 , DOI: 10.1021/acs.accounts.4c00592

研究团队简介

刘亚辉教授

本文通讯作者，青岛大学教授，山东省优青，山东省青年泰山学者。2013 年本科毕业于北京师范大学获得学士学位。2018年博士毕业于北京师范大学获得博士学位，师从北京师范大学薄志山教授。2020 年加入青岛大学纺织服装学院，功能染料与应用技术研究院核心成员，博士/硕士生导师，主持国家青年基金、面上项目等。研究方向：有机光电材料与器件，如有机太阳能电池关键材料、钙钛矿太阳能电池空穴传输材料等，开发了多种非富勒烯受体材料，共轭聚合物给体材料等。至今以第一/通讯作者发表 SCI 论文 70 余篇，包括 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. China Chem., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Mater., Macromolecules 等高水平论文。

宋金生教授

本文通讯作者，湖南大学本科、硕士，中国科学院化学研究所博士。河南大学教授，博士生导师，河南省杰出青年基金获得者，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，担任《 Chinese Chemical Letter 》青年编委，现任职于河南大学纳米科学与工程研究院。主要从事高分子化学、新型有机太阳能电池材料设计与器件加工、柔性电子器件等方面的研究。目前，在 J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater .等期刊发表SCI论文60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。

薄志山教授

本文通讯作者，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，2002年获得基金委“杰出青年科学”基金支持，教育部长江学者特聘教授（2015-2020），教育部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。主要从事共轭聚合物光电功能材料的合成与性能研究，在国际重要学术期刊发表学术论文 300 余篇，包括 Nat. Energy, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. China Chem., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Mater., Macromolecules 等高水平论文。

姜鹏程

本文第一作者，河北师范大学讲师，2019年博士毕业于北京师范大学，导师薄志山教授。2022年从深圳大学博士后出站后入职河北师范大学化学与材料科学学院，主持河北省青年基金、河北省人社厅博士后择优资助重点项目等，主要研究有机功能分子在有机光伏，有机发光二极管以及荧光传感中的应用等。至今发表SCI论文30余篇，包括 Adv. Mater., Adv. Opt. Mater., J Mater. Chem. A, J Mater. Chem. C, ACS Appl. Mater. Interfaces 等高水平论文。

【综述】Acc. Chem. Res.：简单高效非稠环电子受体材料

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