薄志山教授，刘亚辉教授&路皓副教授， Advanced Materials：基于新型非稠环电子受体的高效二元和三元有机太阳能电池

第一作者：路皓，刘文龙

通讯作者：刘亚辉*，薄志山*

单位：青岛大学，北京师范大学

近年来，得益于非富勒烯受体的发展，特别是Y系列受体，有机太阳能电池（OSCs）取得了迅猛的发展。单结和串联结构的OSC的功率转换效率（PCEs）分别超过了19%和20%，表明在未来实际应用中具有巨大的潜力。然而，目前高效的受体通常具有稠环中心单元，有时导致复杂的合成步骤和低产率。这一未解决的问题将限制OSC的未来商业应用。鉴于此，有必要开发高性能且低成本的光伏材料。最近，研究人员开发了非稠环电子受体（NFREAs）来解决这一挑战。 薄志山教授课题组 在非稠环电子受体方面做了大量的研究工作(J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 3356; Nat. Commun., 2019, 10, 3038; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 22714; Chem. Mater.,2018, 30, 4307; Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1901280; ACS Appl. Mater. Inter., 2021, 13, 39652-39659; Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2101742)。他们的研究表明，在非稠环电子受体的设计中引入二芳胺侧基，其富电子特性可以增强分子内的电荷转移作用，同时二芳胺与分子骨架构成的3D构型可以抑制受体的过度聚集，据此他们设计了一系列高效率的非稠环电子受体。（Adv. Energy Mater., 2021, 11, 2102591; ACS Appl. Mater. Inter., 2022, 14, 28807; Chem. Eng. J., 2022, 435, 134987; Chin. J. Chem. 2023, 41, 665; Chem. Eng. J. 2023, 473）。未来，有必要开发综合性能优异的NFREAs，可以用于单结构（二元和三元）或串联OSC。为实现这一目标，NFREAs的精确分子工程需要深入研究，包括立体位阻侧链、电子吸引末端基团等。

在这项工作中，基于以下思考合成了三种非融合环电子受体（2TT、2TT-C6-F和2TT-C11-F）：首先，这三个受体的大立体位阻侧基（2,4,6-三异丙基苯）可以确保受体具有良好的平面性，并提供良好的溶解度；其次，这些受体的侧链烷基侧链可以提供调节分子溶解度和结晶性的另一机会；第三，选择两个电子给体噻吩[3,2-b]噻吩（TT）单元作为核心单元，以确保核心与电子吸引末端基团之间有强烈的分子内电荷转移；第四，2TT分子的CC端基，2TT-C6-F和2TT-C11-F的IC-2F端基，可以大幅调整受体的性质。选择通常使用的聚合物D18作为给体，具有十一碳侧链和IC-2F末端基团的2TT-C11-F表现出适当的相分离和结晶性，相应的二元OSC可以实现出色的PCE为13.03%，远高于基于2TT（9.68%）和2TT-C6-F（12.11%）的二元OSC。此外，具有C6侧链和CC末端基团的2TT显示出略高的能级和与D18以及典型的低能带隙Y系列受体（BTP-eC9-4F）更好的吸收互补性。基于2TT的三元混合OSC可以实现19.39%的优异光电转换效率，是目前报道的最高值之一。总的来说，此项工作开发了全面的2TT系列NFREAs，可以用于制备高性能的二元和三元OSC。

Figure 1. (a) The chemical structures of 2TT, 2TT-C6-F and 2TT-C11-F; (b) UV-vis absorption spectra of 2TT, 2TT-C6-F and 2TT-C11-F in dilute solutions (c) The normalized UV-vis absorption spectra of 2TT, 2TT-C6-F and 2TT-C11-F as neat films. (d) energy levels of 2TT, 2TT-C6-F and 2TT-C11-F.

此项工作设计了三种新型的非稠环受体分子2TT，2TT-C6-F，2TT-C11-F,搭配D18给体材料，最终可以获得较高的性能。

通过双氟端基拓宽了受体分子的紫外吸收，提高光子的利用率，此外，通过增长的烷基链来调控受体分子的溶解性。

2TT受体分子和Y系列受体分子具有互补的吸收，此外2TT分子具有较高的LUMO能级能够提高二元器件的开路电压，基于以上，基于2TT受体的三元有机太阳能电池器件效率可以达到19.39%

薄志山 教授简介：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260余篇，包括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。

刘亚辉 教授，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，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。