有机聚合物太阳电池具有轻、柔、溶液加工和带隙可调等优点，在柔性光伏、透明发电玻璃和光伏大棚等领域具有广阔应用前景。近年来，有机聚合物太阳电池在能量转换效率和运行寿命方面取得了显著的进步，材料化学方面持续关注发展高性能、低成本的有机光伏半导体，有望推动有机聚合物太阳电池发展成为实用清洁能源技术。
近年来，浙江大学高分子科学与工程学系有机半导体实验室提出发展了全非稠环电子受体的分子设计策略，利用非共价键作用促进共轭骨架中芳环单元的共平面化，从而避免传统化学键稠合环的繁琐合成，降低了分子的合成复杂度的同时还能赋予分子优异的抗光氧化性和光电性能。该团队从基本芳香单元出发，利用高效C-H 活化C-C键偶联和Knoevenagel缩合反应，两步构筑了具有完全非稠环结构的简单电子受体分子[1]， [2]，以及通过调控中心核拓展非稠合受体的吸光能级范围[3]，发展了系列非稠环电子受体材料。相比之下，这一类基于单个芳环构建的全非稠环电子受体已经具有低合成复杂度，以及优异的抗光氧化稳定性，如能进一步提升其在太阳电池中的能量转换效率，这将有助于实现获得具有效率-成本-稳定性的三者优化平衡的有机聚合物太阳电池。
浙江大学有机半导体实验室李昌治课题组在这个方向做了持续探索，最近从单芳环原料出发，发展了可简洁合成的全非稠环电子受体PTB4F和PTB4Cl，通过氧-硫，氧-氢等分子内非共价键作用协同调谐分子平面性（图1）。工作揭示，这类分子中引入二维侧链和端基氯取代可调谐其凝聚态堆积、取向，从而提高了激子寿命和电荷传输速率。基于PTB4Cl分子和PBDB-TF聚合物的单节太阳电池器件的能量转换效率达到12.76%，达成当前基于单芳环构建的全非稠环电子受体的效率最高值。工作为发展具有低合成复杂度、高性能的光伏分子提供一种可行思路。
图1.（a）非稠环受体的设计和（b）合成途径，（c）紫外线吸收光谱，非稠环受体薄膜（d）光致荧光光谱和（e）循环伏安图。
工作中通过与华南理工大学解增旗教授合作单晶X射线衍射分析，揭示了非稠环电子受体分子的凝聚态堆积模式。如图2所示，非稠环分子在固态薄膜中同样表现出刚性平面结构，并且末端氯原子取代的PTB4Cl相比于PTB4F，凝聚态分子堆积更加紧密、有序，这有利于激子和载流子在有机半导体中的长程传输。
图2.（a）PTB4F和（b）PTB4Cl的分子构象和堆积，以及（c）PTB4F和（d）PTB4Cl在单晶中的层状堆积图。
与浙江大学化学系朱海明研究员团队合作，借助瞬态吸收光谱等表征手段，发现非稠环受体分子在薄膜中表现较长的荧光寿命。同时，基于PTB4Cl分子和PBDB-TF聚合物的混合膜具有快速和均衡的电荷转移过程，如图3所示。
图3.（a）光伏器件结构， J-V特性曲线（b）和EQE光谱（c），以及（d）EQE和EL光谱中的Eg（表示为Egonset，Egpv，Egedge）。不同共混薄膜的电致荧光EQE（e）和空穴转移过程的TA动力学（f）。
最后，相比于PTB4F，基于PTB4Cl分子的有机光伏器件获得了更高的电流和填充因子（短路电流：19.01 mA/cm2；填充因子：0.72），从而实现了12.76%能量转换效率，非辐射能量损失低至0.28eV的单结有机聚合物太阳电池。工作成功发展了一类低成本、高性能的有机光伏分子，其合成路线简洁有利于实现规模化制备。工作还得到香港中文大学路新慧教授在薄膜形貌测试方面的支持。该研究在科技部重点研发计划、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目和面上项目等资助下开展完成，相关论文以“Simple Non-Fused Electron Acceptors Leading to Efficient Organic Photovoltaics”为题发表于Angewandte Chemie International Edition （Angew. Chem. Int. Ed. 2021, DOI: 10.1002/ange.202101867）。浙江大学高分子科学与工程学系博士生闻天骄，刘志玺，和化学系博士生陈增为论文的共同第一作者，共同作者包括华南理工大学解增旗教授，香港中文大学路新慧教授，浙江大学化学系朱海明研究员和浙江大学有机半导体实验室的陈红征教授和李昌治研究员等，其中朱海明研究员和李昌治研究员为共同通讯作者。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202101867
参考文献
[1] Z. Zhang, S. Zhang, Z.-X. Liu, Z. Zhang, Y. Li, C.-Z. Li*, H. Chen*, Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 394-400.
[2] Z.-P. Yu, Z.-X. Liu, F.-X. Chen, R. Qin, T.-K. Lau, J.-L. Yin, X. Kong, X. Lu, M. Shi, C.-Z. Li*, H. Chen, Nat. Commun. 2019, 10, 2152.
[3] T. J. Wen, D. Wang, L. Tao, Y. Xiao, Y. D. Tao, Y. Li, X. Lu, Y. Fang*, C. Z. Li*, H. Chen, D. Yang, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 39515–39523.
李昌治课题组主页：https://person.zju.edu.cn/czli
