有機太陽能電池因質(zhì)量輕，半透明和柔性等特有的優(yōu)勢，在光伏建筑一體化、光伏農(nóng)業(yè)、萬物互聯(lián)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。近年來，得益于新型光伏材料的開發(fā)和器件制備技術(shù)的優(yōu)化，有機太陽能電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率已超過19%。然而，有機光伏領(lǐng)域的明星受體材料通常具有大π的共軛體系，該類單元的采用勢必增加合成難度及成本，進(jìn)而影響其商業(yè)化應(yīng)用。目前，結(jié)構(gòu)簡單的完全非稠環(huán)電子受體材料有望將高性能與低成本合二為一，但仍缺乏詳細(xì)的分子結(jié)構(gòu)-光伏性能的構(gòu)效關(guān)系研究。
宋金生教授研究團隊以寡聚噻吩為切入點，針對非稠環(huán)共軛長度、修飾基團等問題，通過單鍵相連構(gòu)筑了三、四聯(lián)噻吩骨架，報道了系列完全非稠環(huán)電子受體（FNEAs）（Adv. Funct. Mater.,2021,31, 2101742，J. Mater. Chem. A,2023,11, 7498-7504），其中4T-3分子展現(xiàn)了優(yōu)異的光伏性能-成本效益品質(zhì)因子。然而，其扭曲的分子骨架、多重的分子構(gòu)象嚴(yán)重制約了分子間高效電荷通道的構(gòu)筑，致使短路電流密度（JSC）較低。因此，消除單鍵自由旋轉(zhuǎn)的固有屬性、實現(xiàn)單一的分子構(gòu)象是構(gòu)筑有效電荷傳輸通道和發(fā)展高性能FNEAs的關(guān)鍵途徑。針對上述問題，研究團隊提出了一種共價大環(huán)包裹的精準(zhǔn)構(gòu)筑策略，用于FNEAs材料的設(shè)計，合成了R4T-1受體分子。單晶結(jié)構(gòu)顯示，共價包裹環(huán)可以完美地覆蓋分子中心骨架，限制單鍵自由旋轉(zhuǎn)、實現(xiàn)骨架的平面化、獲得穩(wěn)定的單一分子構(gòu)象。本文所設(shè)計的簡單四聯(lián)噻吩（4T）的環(huán)包裹策略即可獲得與復(fù)雜多元稠環(huán)在可見-近紅外區(qū)域相當(dāng)?shù)奈?、緊密有序的分子堆積，最終實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率突破15%的有機光伏器件。其中，器件的JSC達(dá)到了25.48 mA/cm2，為目前已報道的FNEAs材料中的最高值。“大環(huán)包裹”的分子設(shè)計策略不僅獲得了性能優(yōu)異的FNEAs材料，同時也為FNEAs深入而系統(tǒng)的研究提供了理想且精準(zhǔn)的分子研究模型，更為重要的是該策略將會助力有機光伏材料的簡單化、實用化，從而走向?qū)嶋H應(yīng)用（Angew. Chem. Int. Ed.2023, e202316495）。納米科學(xué)與工程研究院博士研究生申帥帥、2019級碩士研究生米雨為論文第一作者，宋金生教授為論文的通訊作者。本工作得到了國家自然科學(xué)基金、河南省杰出青年基金、中原千人計劃、河南省高校基礎(chǔ)研究計劃重點科研專項、河南大學(xué)黃河學(xué)者啟動經(jīng)費等項目大力支持。團隊簡況：宋金生教授自2012年入職河南大學(xué)以來，先后主持獲批國家自然科學(xué)基金4項，獲得河南省杰出青年基金，河南省高層次人才特殊支持計劃“中原青年拔尖人才”，“黃河學(xué)者”，河南省教育廳學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，河南省青年骨干教師，河南省高層次人才，河南省青少年科技教育精準(zhǔn)服務(wù)試點專家等榮譽稱號。目前，主要從事新型有機共軛材料、有機太陽能電池、柔性電子器件、共軛高分子化學(xué)等方面的研究工作，在J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等期刊發(fā)表SCI論文60余篇，獲批專利3項，受邀與國內(nèi)外學(xué)者合著太陽能電池領(lǐng)域著作1部。論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202316495
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