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  高效、穩定和低成本是新型太陽電池技術走向實用的重要評判依據。有機太陽電池具有可溶液制備大面積器件的突出優勢，成為廣泛關注的研究熱點。其單結電池采用陰極/光活性層/陽極的“三明治式”結構，其中光活性層多為有機電子給體和受體共混形成的本體異質結薄膜。近年來，基于稠環骨架的電子受體分子飛速發展，大力推動了單結有機太陽電池的能量轉換效率超過15%，疊層有機太陽電池效率超過17%。

  稠環分子設計通過化學共價鍵來稠合芳香基團，以維持分子骨架的剛性和平面性，需經過相對復雜的合成和提純步驟來實現。隨著能量轉換效率的逐步提升，有機太陽電池進一步發展需要關注到成本和壽命兩方面因素，其中的科學難題包括了如何降低分子的合成復雜度，以及提升材料與器件的穩定性。針對以上問題，浙江大學高分子科學與工程學系的有機半導體實驗室發展了基于全非稠合骨架的簡單電子受體分子設計新策略，通過分子內非共價鍵作用來促進分子骨架的平面化，一方面利用超分子作用替代常規化學鍵鎖環，極大降低分子合成復雜度，另一方面還能賦予受體分子優異的光電性質，同時具有結構變化豐富等優勢。

  該團隊從基本芳香單元出發，利用高效C-H 活化C-C鍵偶聯和Knoevenagel縮合反應，兩步構筑了全非稠合簡單電子受體分子，前期工作受邀發表于Acta Phys.-Chim. Sin. 2019, 35, 394。近來，該團隊通過烷氧基苯與噻吩相互作用，以及噻吩側鏈與末端缺電子基團的位阻效應，協同調諧非稠合分子的平面性和分子間堆積行為，設計報道了一類骨架簡單的全非稠合電子受體分子（PTICH，PTIC和PTICO），合成路線簡潔高效，僅通過重結晶提純就能得到終產物（圖1）。

圖1. （a）稠合受體及非稠合受體的結構簡式。（b）非稠合受體在溶液及聚集狀態下構象變化的示意圖。（c）非稠合類受體的合成路線。

  工作結合理論模擬，利用變溫核磁，碳氫異核遠程相關譜、變溫紫外、固體核磁和掠入角X射線衍射等手段，揭示溶液狀態下非稠合分子基于C-H…O弱相互作用的構象為優勢構象，分子骨架在溶液中易扭轉，但是在薄膜和聚集狀態下，分子內超分子作用和分子間緊密堆積共同促進非稠合分子呈現剛性和平面的骨架構象。這不僅賦予材料良好的溶液加工性，同時也展現優異的薄膜光電特性。基于PBDB-TF為電子給體制備的有機太陽電池，可通過單一溶劑無需添加劑簡單涂布制的，單結太陽電池能量轉換效率可達10.27%。

圖2 （a）有機太陽電池器件結構示意圖。（b）有機太陽電池的J-V曲線。（c）以PBDB-TF:ID4F和PBDB-TF: PTIC為活性層的封裝太陽電池的穩定性曲線。（d）非稠合分子PTIC和稠合分子ID4F純膜大氣環境中，持續1 sun模擬光照下吸收變化情況。

  相對于稠環電子受體ID4F，非稠合PTIC為受體的太陽電池不但展現出更高能量轉換效率，同時器件光穩定性也有大幅提高（圖2c）。這主要歸因于非稠合受體分子自身光穩定性的提升。大氣環境下，稠合ID4F薄膜在1 sun強度持續光照16小時后，顏色減退到透明（共軛骨架被破壞），而非稠合PITC分子（可能得益于分子緊密堆積和低環張力）展現出優異的穩定性，在光照32小時后，薄膜的吸光強度和位置均沒有明顯變化。進一步利用PTIC：PBDB-TF為疊層器件子電池，與吸光帶邊接近1000 nm的后電池搭配，可制備得到高效率有機疊層太陽電池。

圖3. （a）疊層太陽電池結構示意圖及（b）J-V曲線。

  這一工作從分子骨架結構設計入手，通過研究理解非稠合分子骨架和聚集行為對光電轉換和穩定性的影響規律，證明利用分子內弱相互作用來促進分子骨架的平面化可以獲得結構簡單且高效、穩定的電子受體分子，該成果為發展高性能電子受體分子的提供新思路。工作得到香港中文大學路新慧教授和浙江大學化學系孔學謙研究員在薄膜形貌和固體核磁測試方面的支持。該研究在國家自然科學基金優秀青年科學基金項目、重點項目和面上項目等資助下開展完成，相關論文以 “ Simple non-fused electron acceptors for efficient and stable organic solar cells” 為題發表于“Nature Communication” （Nat. Commun. 2019, 10, 2152）。博士后余志鵬和博士生劉志璽為論文的共同第一作者，共同作者包括路新慧教授，孔學謙研究員和浙江大學有機半導體實驗室的陳紅征教授、施敏敏教授和李昌治研究員等，其中李昌治研究員為通訊作者。

  李昌治課題組主頁：https://person.zju.edu.cn/czli

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10098-z