【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】面對(duì)全球氣候變化與能源轉(zhuǎn)型的雙重挑戰(zhàn)，開發(fā)高效、可持續(xù)的清潔能源技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵路徑。在這一背景下，有機(jī)太陽能電池(Organic solar cells，OSCs)作為新一代的光伏技術(shù)，憑借質(zhì)輕、透明、柔性等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注，在光伏建筑一體化、柔性可穿戴電子設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
 

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所有機(jī)光電材料與器件團(tuán)隊(duì)長期從事高效有機(jī)太陽能電池的研究(Chem. Soc. Rev. 2024, 53, 2350; Adv. Mater. 2024, 36, 2401789; Adv. Mater. 2025, 37, 202414080 ; Energy Environ. Sci., 2024,17, 7318; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63,e202401518 )。近期，該團(tuán)隊(duì)葛子義研究員和楊道賓副研究員聯(lián)合四川大學(xué)黃艷教授在能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊Energy & Environmental Science上發(fā)表題目為“Direct C–H arylation-derived low crystallinity guest acceptor for high efficiency organic solar cells(直接C-H活化構(gòu)筑低結(jié)晶度受體材料實(shí)現(xiàn)高效率有機(jī)太陽能電池)”的研究論文(Energy Environ. Sci., 2025, DOI: 10.1039/D5EE00542F)，通過直接C-H活化開發(fā)了一種低結(jié)晶度客體受體D-IDT，將其引入D18:BTP-eC9體系后，實(shí)現(xiàn)了器件效率和穩(wěn)定性的協(xié)同提升。
 

　　有機(jī)太陽能電池中活性層材料的合成十分依賴Stille反應(yīng)，但該方法存在原子經(jīng)濟(jì)性差、成本高、環(huán)境污染等系列問題。為解決這一難題，本研究采用直接C-H活化策略，通過C-H/C-H交叉偶聯(lián)反應(yīng)成功合成了A-D-D-A型受體D-IDT。與傳統(tǒng)的C-H/C-X反應(yīng)相比，該策略避免了劇毒有機(jī)錫試劑的使用，副產(chǎn)物僅為氫氣，顯著降低合成對(duì)環(huán)境的影響。此外，該策略合成步驟更少、產(chǎn)率更高以及無需復(fù)雜的預(yù)官能團(tuán)化反應(yīng)過程，實(shí)用性更強(qiáng)，為有機(jī)光伏材料的綠色合成提供了新思路(如圖1)。
 

　　此外，與高結(jié)晶度的A-D-A型受體S-IDT進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，D-IDT雖然具有更大的π共軛平面，但其分子間相互作用減弱，結(jié)晶度降低。這種特性能夠促進(jìn)主體受體BTP-eC9的快速聚集并抑制其過度自組裝，從而形成更細(xì)小的相分離結(jié)構(gòu)(如圖2)。這種優(yōu)化的形貌顯著增強(qiáng)了激子解離效率，降低了非輻射電壓損失，使基于D18:BTP-eC9:D-IDT的器件的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了19.92%。此外，D-IDT的引入也很好改善了器件的光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。這一結(jié)果揭示了客體材料的結(jié)晶特性與活性層混合形態(tài)之間的影響規(guī)律，為開發(fā)高效客體材料提供了分子設(shè)計(jì)指導(dǎo)，經(jīng)濟(jì)、綠色的合成路線也有助于促進(jìn)有機(jī)光伏技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。
 

　　寧波材料所碩士研究生丁鵬飛和四川大學(xué)博士研究生戎緒剛為論文共同第一作者，寧波材料所葛子義研究員、楊道賓副研究員和四川大學(xué)黃艷教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了國家科學(xué)杰出青年學(xué)者基金(21925506)、國家自然科學(xué)基金(U21A20331、22439004、22409202)和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃(BX20230386)的支持。
 

　　圖1(a)直接C-H活化的分子設(shè)計(jì)策略；(b)S-IDT和D-IDT的化學(xué)結(jié)構(gòu)；(c)S-IDT和D-IDT 薄膜的二維GIWAXS圖；(d)對(duì)應(yīng)器件的J-V曲線；(e)對(duì)應(yīng)器件的光穩(wěn)定性

 

　　圖2(a)三種共混體系在旋涂過程中的原位二維紫外-可見吸收輪廓圖；(b)相應(yīng)體系的原位紫外-可見吸收線剖面圖；(c)從相應(yīng)吸收輪廓圖中提取的受體峰位置的時(shí)間演變圖