有机光伏（OPV）电池以其能够通过低成本溶液加工工艺制备大面积器件的独特优势，受到了广泛关注。近年来，得益于新材料的不断开发，OPV电池的能量转换效率（PCE）已经突破了20%，表现出巨大的实际应用潜力。然而，推进OPV技术的产业化，不仅要着眼于提升材料的光伏性能，更要严格控制相关材料的合成成本。目前，高效率的给、受体材料面临着合成步骤复杂和产率低下的问题，这无疑大幅增加了材料的生产成本，严重制约了有机光伏电池的产业化进程。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学研究所高分子物理与化学实验室侯剑辉课题组围绕高效率、低成本材料开展了系统的研究，取得了系列成果(Natl. Sci. Rev. 2021,8,nwab031;Nat. Commun.2021,12,5093;Adv. Mater. 2022,34,2108090;Adv. Mater. 2022,34,2105803;Angew. Chem. Int. Ed.2023,62,e202214088;Angew. Chem. Int. Ed. 2023,62,e202314362)。

近期，该课题组以低成本的噻吩-苯环-噻吩(TBT)单元为出发点，开发了一系列高性能非稠环电子受体材料。首先，他们通过在中心苯环的邻位引入两个2-乙基己基烷氧基取代基，合成了受体材料TBT-2。基于TBT-2的OPV电池实现了13.6%的PCE。进一步，通过改变苯环上烷氧基的取代位置以及在分子中引入α位点支化的烷氧基作为侧链设计了受体材料TBT-13，这样的分子设计赋予了材料更好的平面性和稳定的构象。增加的HOMO和LUMO空间分布波函数的重叠，使TBT-13的吸收峰相较于TBT-2红移了85 nm，有利于相应电池对太阳光的充分利用。基于TBT-13的OPV电池因短路电流密度和填充因子的协同提升，表现出了16.1%的PCE。此外，他们通过精细调节烷氧基侧链的长度设计了受体材料TBT-26。共混薄膜显示出更加有序的π–π堆积和良好的聚集特性，从而表现出了优异的电荷传输性能，进一步将OPV电池的PCE提升至17%，这是目前基于全非稠环受体制备的OPV电池所能获得的最高结果。同时，该材料的成本低至85元/克，非常适合产业化应用。他们结合溶液理化性质，通过调控涂布条件，制备的30.6 cm²电池实现了13.5%的PCE。这一系列研究成果不仅为开发高性能、低成本的受体材料提供了一种实用的分子设计策略，也为OPV技术的产业化提供了重要支撑。相关成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.和Angew. Chem. Int. Ed.期刊上（https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c00090；https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202403753），论文第一作者为博士研究生杨霓，通讯作者为化学所侯剑辉研究员和崔勇副研究员。

TBT系列材料及其器件性能

高分子物理与化学实验室

2024年4月19日