河南大学宋金生课题组Angew. Chem.:“大环包裹”策略构筑高效四噻吩有机光伏受体

第一作者：申帅帅，米雨

通讯作者：宋金生

通讯单位：河南大学

近年来，非富勒烯受体材料的设计开发，推动了有机太阳能电池（OSCs）快速的发展。在最新的研究进展中，以稠环Y6衍生物为电子受体的有机太阳能电池光电转换效率以超过19%，已满足了商业化应用的基本要求，进而成本、稳定性等其他关键因素逐渐成为研究需要考虑的重点。然而，目前高性能电子受体大多以稠环为核心构筑单元，其势必增加合成的复杂性。因此，发展具有简单结构的部分或完全非稠环电子受体成为了当前研究的热点及有机光伏领域电子受体的一个重要研究分支，有望在简单分子体系中实现兼顾高性能与低成本。

前期工作中，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（JSC）较低。近期，国内研究者通过在骨架中心引入大位阻基团，可以有效实现主链的平面化；但是由于侧链大位阻芳香基团间同时也存在π-π相互作用的竞争效应，同样存在分子主链的扭曲可能，进而影响分子骨架的构象单一性、平面性、共轭程度。因此，发展兼具平面性、构象单一性的分子设计策略对发展FNEAs既有挑战又至关重要。

近日， 河南大学宋金生教授课题组 ，以简单的四联噻吩为中心骨架，通过对其外围进行共价修饰，提出了一种“大环包裹”的精准分子构筑策略，限制了中心连噻吩的自由旋转，得到了平面、单一的分子构象，进而获得了紧密且有序的电子传输通道，最终实现了具有高效的光电转换效率的有机光伏器件，其Jsc数值为目前业已报道的FNEAs材料中的最高值。相关的研究成果已发表在国际知名期刊 《Angewandte Chemie International Edition》 上，题为 “Macrocyclic Encapsulation in a Non-fused Tetrathiophene Acceptor for Efficient Organic Solar Cells with High Short-Circuit Current Density” 。

此项工作通过在四噻吩骨架中心引入共价连接的烷基侧链构筑了R4T-1受体分子，以JD40作为给体材料，最终实现了超过15.10% 的PCE，获得了与Y系列分子媲美的高Jsc值为25.48 mA/cm2；

共价包裹大环完美地缠绕在分子骨架中心，限制单键自由旋转、实现超平的共轭骨架、获得高稳定单一的分子构象，仅裸露出端基部分，为实现紧密的π-π堆积及高效的电荷传输通道提供保障；

完全非稠环电子受体的研究尚处于起步，其可自由旋转的单键、共轭骨架的长度、结构-性能关系等方面尚不明确，环包裹分子衍生策略为非稠环尤其是四噻吩简单体系提供了极具参考价值的研究模型。

特别感谢北京师范大学薄志山教授，南京大学张春峰教授，东华大学马在飞教授，国家纳米中心张建齐研究员对本工作的支持与帮助。

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

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。

课题组诚聘有机光电器件、材料合成的有志青年（1-2名）加入，可协助申报青年英才、青年教师（编制）、博士后等科研岗位。课题组每年招收博士生、硕士生若干，欢迎报考！

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