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  高效、穩(wěn)定和低成本是新型太陽(yáng)電池技術(shù)走向?qū)嵱玫闹匾u(píng)判依據(jù)。有機(jī)太陽(yáng)電池具有可溶液制備大面積器件的突出優(yōu)勢(shì)，成為廣泛關(guān)注的研究熱點(diǎn)。其單結(jié)電池采用陰極/光活性層/陽(yáng)極的“三明治式”結(jié)構(gòu)，其中光活性層多為有機(jī)電子給體和受體共混形成的本體異質(zhì)結(jié)薄膜。近年來(lái)，基于稠環(huán)骨架的電子受體分子飛速發(fā)展，大力推動(dòng)了單結(jié)有機(jī)太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率超過(guò)15%，疊層有機(jī)太陽(yáng)電池效率超過(guò)17%。

  稠環(huán)分子設(shè)計(jì)通過(guò)化學(xué)共價(jià)鍵來(lái)稠合芳香基團(tuán)，以維持分子骨架的剛性和平面性，需經(jīng)過(guò)相對(duì)復(fù)雜的合成和提純步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著能量轉(zhuǎn)換效率的逐步提升，有機(jī)太陽(yáng)電池進(jìn)一步發(fā)展需要關(guān)注到成本和壽命兩方面因素，其中的科學(xué)難題包括了如何降低分子的合成復(fù)雜度，以及提升材料與器件的穩(wěn)定性。針對(duì)以上問題，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系的有機(jī)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了基于全非稠合骨架的簡(jiǎn)單電子受體分子設(shè)計(jì)新策略，通過(guò)分子內(nèi)非共價(jià)鍵作用來(lái)促進(jìn)分子骨架的平面化，一方面利用超分子作用替代常規(guī)化學(xué)鍵鎖環(huán)，極大降低分子合成復(fù)雜度，另一方面還能賦予受體分子優(yōu)異的光電性質(zhì)，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)變化豐富等優(yōu)勢(shì)。

  該團(tuán)隊(duì)從基本芳香單元出發(fā)，利用高效C-H 活化C-C鍵偶聯(lián)和Knoevenagel縮合反應(yīng)，兩步構(gòu)筑了全非稠合簡(jiǎn)單電子受體分子，前期工作受邀發(fā)表于Acta Phys.-Chim. Sin. 2019, 35, 394。近來(lái)，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)烷氧基苯與噻吩相互作用，以及噻吩側(cè)鏈與末端缺電子基團(tuán)的位阻效應(yīng)，協(xié)同調(diào)諧非稠合分子的平面性和分子間堆積行為，設(shè)計(jì)報(bào)道了一類骨架簡(jiǎn)單的全非稠合電子受體分子（PTICH，PTIC和PTICO），合成路線簡(jiǎn)潔高效，僅通過(guò)重結(jié)晶提純就能得到終產(chǎn)物（圖1）。

圖1. （a）稠合受體及非稠合受體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式。（b）非稠合受體在溶液及聚集狀態(tài)下構(gòu)象變化的示意圖。（c）非稠合類受體的合成路線。

  工作結(jié)合理論模擬，利用變溫核磁，碳?xì)洚惡诉h(yuǎn)程相關(guān)譜、變溫紫外、固體核磁和掠入角X射線衍射等手段，揭示溶液狀態(tài)下非稠合分子基于C-H…O弱相互作用的構(gòu)象為優(yōu)勢(shì)構(gòu)象，分子骨架在溶液中易扭轉(zhuǎn)，但是在薄膜和聚集狀態(tài)下，分子內(nèi)超分子作用和分子間緊密堆積共同促進(jìn)非稠合分子呈現(xiàn)剛性和平面的骨架構(gòu)象。這不僅賦予材料良好的溶液加工性，同時(shí)也展現(xiàn)優(yōu)異的薄膜光電特性�；赑BDB-TF為電子給體制備的有機(jī)太陽(yáng)電池，可通過(guò)單一溶劑無(wú)需添加劑簡(jiǎn)單涂布制的，單結(jié)太陽(yáng)電池能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10.27%。

圖2 （a）有機(jī)太陽(yáng)電池器件結(jié)構(gòu)示意圖。（b）有機(jī)太陽(yáng)電池的J-V曲線。（c）以PBDB-TF:ID4F和PBDB-TF: PTIC為活性層的封裝太陽(yáng)電池的穩(wěn)定性曲線。（d）非稠合分子PTIC和稠合分子ID4F純膜大氣環(huán)境中，持續(xù)1 sun模擬光照下吸收變化情況。

  相對(duì)于稠環(huán)電子受體ID4F，非稠合PTIC為受體的太陽(yáng)電池不但展現(xiàn)出更高能量轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)器件光穩(wěn)定性也有大幅提高（圖2c）。這主要?dú)w因于非稠合受體分子自身光穩(wěn)定性的提升。大氣環(huán)境下，稠合ID4F薄膜在1 sun強(qiáng)度持續(xù)光照16小時(shí)后，顏色減退到透明（共軛骨架被破壞），而非稠合PITC分子（可能得益于分子緊密堆積和低環(huán)張力）展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在光照32小時(shí)后，薄膜的吸光強(qiáng)度和位置均沒有明顯變化。進(jìn)一步利用PTIC：PBDB-TF為疊層器件子電池，與吸光帶邊接近1000 nm的后電池搭配，可制備得到高效率有機(jī)疊層太陽(yáng)電池。

圖3. （a）疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖及（b）J-V曲線。

  這一工作從分子骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，通過(guò)研究理解非稠合分子骨架和聚集行為對(duì)光電轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，證明利用分子內(nèi)弱相互作用來(lái)促進(jìn)分子骨架的平面化可以獲得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且高效、穩(wěn)定的電子受體分子，該成果為發(fā)展高性能電子受體分子的提供新思路。工作得到香港中文大學(xué)路新慧教授和浙江大學(xué)化學(xué)系孔學(xué)謙研究員在薄膜形貌和固體核磁測(cè)試方面的支持。該研究在國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目等資助下開展完成，相關(guān)論文以 “ Simple non-fused electron acceptors for efficient and stable organic solar cells” 為題發(fā)表于“Nature Communication” （Nat. Commun. 2019, 10, 2152）。博士后余志鵬和博士生劉志璽為論文的共同第一作者，共同作者包括路新慧教授，孔學(xué)謙研究員和浙江大學(xué)有機(jī)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室的陳紅征教授、施敏敏教授和李昌治研究員等，其中李昌治研究員為通訊作者。

  李昌治課題組主頁(yè)：https://person.zju.edu.cn/czli

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10098-z