用于高性能有机太阳能电池的非稠环电子受体的最新进展

太阳能已被公认为一种有前途的绿色可再生能源。得益于活性层材料和器件优化技术的协同创新，有机太阳能电池(OSCs)在过去十年中取得了重大突破并引起了广泛的研究关注。尽管OSCs可以有效地实现太阳能转换，但它们还不够成熟，无法大规模应用。

为了以低成本实现高效率以与硅或钙钛矿太阳能电池竞争，研究重点关注OSC中非稠环电子受体(NFREA)的结构-性质关系。一组科学家总结了近年来基于NFREA的OSC取得的长足进展，他们的工作于2022年11月17日发表在IndustrialChemistry&Materials上。

“开发低成本、高效率的光伏器件对于解决能源危机和环境污染问题至关重要，”南开大学教授万祥建说，“在这篇综述中，我们系统地讨论了NFREA的近期发展-基于材料设计的OSCs，从而揭示结构-性能关系，为材料设计和器件优化提供有益的指导。我们还对该领域的剩余挑战进行了展望。”

活性层材料，尤其是非富勒烯受体(NFA)，在太阳能-电能转换中起着至关重要的作用，极大地加速了OSC器件性能的提升。其中，稠环电子受体，如ITIC、Y6及其类似物已被证明是最成功的NFA，效率超过19%。

这主要是由于这些稠环受体具有良好的平面性和刚性，可以形成稳定的几何构象和分子堆积。然而，大多数稠环受体合成过程复杂，反应产率不理想，制备成本高，极大地限制了未来的应用。

相比之下，近年来商业化的硅基太阳能电池价格不断下降，低成本是钙钛矿太阳能电池的突出优势。尽管OSC具有许多独特的优势，但要使其成功商业化，必须认真考虑成本问题。因此，既要从效率又要从成本的角度来设计活性层材料是必要且紧迫的。

“NFREAs通常采用CC单键而不是稠环共轭骨架，与稠环相比，这大大简化了合成过程并通常产生高反应产率，”Wan说，

“目前，已经建立了两种有效的策略来抑制CC单键的扭转并保证良好的平面性和刚性骨架，即通过在中心核或连接单元中引入合适的杂原子进行分子内非共价相互作用，以及通过在中央核心或连接单元中加入大量侧链来产生空间位阻。”

“基于NFREAs的OSC近年来取得了持续的进展，”南开大学教授陈永生解释说。“根据我们研究了十多年的广泛使用的受体-供体-受体(ADA)结构分子的类似设计原理，最先进的NFREA可以大致分为A-π-D-π-AorA-π-A'-π-Aarchitecture.合理设计和调控NFREAs的化学结构可以精细调节平面度、取向和堆积特性，具有在效率、成本之间取得良好平衡的巨大潜力，甚至是设备的稳定性，”陈说。

在未来的分子设计中，新的NFREAs仍有很大的空间。建议通过协同利用分子内非共价相互作用和大空间位阻进一步设计NFREA，并开发除A-π-D-π-A或A-π-A'-π-A之外的其他新型结构。研究人员认为，新材料仍然是推动OSC性能快速发展的最关键因素，尤其是基于NFREA的材料。深入了解材料结构和性能之间的关系可以为即将到来的低成本和高效OSC提供有价值的指导。

“在这篇综述中，我们的主要目标是为读者及时准确地提供该领域的最新研究进展和材料设计策略，”陈说。