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浙江大学陈红征教授团队：非稠环电子受体助力高效低成本稳定有机太阳电池的发展

已有 1624 次阅读 2023-3-28 11:08 |个人分类:AMR Account|系统分类:论文交流

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浙江大学陈红征教授团队的AMR述评文章“Design of Non-Fused Ring Acceptors toward High-Performance, Stable and Low-Cost Organic Photovoltaics”在线发表，并入选ACS Editors' Choice。文章总结了非稠环电子受体的发展历程，阐述了其在实现高效低成本稳定有机太阳电池方面存在的优势及面临的挑战，同时展望了该领域未来的发展前景。

关键词：有机太阳电池，非稠环受体，高性能，低成本，高稳定性

As the counterparts of FREAs, non-fused-ring electron acceptors (NFREAs) are more flexible in molecular design. They behave better in stability due to the reduction of intramolecular tension via breaking fused backbone, and have more advantages in cost with the reduction of synthetic complexity. However, the challenge for NFREAs is the relatively lower efficiencies (around 15% at current stage), which requires better molecular designs for addressing the issues of conformation unicity and effective molecular packing.

文章内容简介

在多相催化中，单原子作为一种清洁能源利用技术，太阳电池不仅能避免碳排放，还能有效解决世界性能源危机。有机太阳电池（OSCs）由于具有柔性、半透明、质轻、可溶液加工等特点，近年来受到了日益广泛的关注。OSCs的活性层由p-型电子给体与n-型电子受体共混物所组成，目前基于稠环受体（FREAs）的器件已经获得了超过19%的效率，但是如何提升稳定性并降低成本，还有待进一步探究。对应地，非稠环受体（NFREAs）由于结构单元间由单键相连接，不仅分子结构调整更为灵活，而且降低了合成复杂度，在成本方面更具优势。另外，NFREAs也展现出了良好的稳定性。但目前基于NFREAs的器件效率较低，有待对分子结构进行进一步的改进。

本篇述评文章主要从三个方面介绍了本实验室在NFREAs方面所做的工作，包括分子设计与效率优化、材料成本、稳定性等方面。首先，在分子设计和效率优化部分，我们从三个方面讨论了NFREAs的改进策略，包括分子骨架优化、末端修饰和侧链工程。其次，在材料成本方面，我们比较了典型的FREAs和NFREAs之间的合成复杂度。然后，在稳定性部分，我们从材料本征稳定性、器件光稳定性和热稳定性的角度分析了基于NFREAs的可行策略。最后，我们总结了NFREAs仍面临的一些挑战，以及今后可能的发展方向，以期进一步推动有机太阳电池朝着高性能、高稳定性、低成本的方向发展。

NO.1AMR：请问您选择该领域的初心是什么？

作者团队：

近年来，由于大气中二氧化碳含量上升导致的全球变暖带来了冰川融化、海平面上升等问题，给全世界造成了严重影响。因此，减少二氧化碳排放迫在眉睫。对此，我国也提出力争在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。

作为一个煤炭大国，火力发电是我国主要的发电方式，但煤炭在燃烧过程中会产生大量的二氧化碳。而太阳电池能够利用光生伏打效应将太阳能转换为电能，是目前最具前景的一项清洁能源技术，不仅能避免碳排放，还能有效解决全球能源紧缺的问题。目前市场中成熟的太阳电池多数基于无机半导体材料（如晶体硅、砷化镓、碲化镉等）。无机半导体太阳电池虽然已实现了商品化，但是器件制备成本高，原材料生产过程耗能，并且产品较重。而有机太阳电池具有柔性、多彩、半透明、可溶液加工等优点，并且种类繁多、可设计性强，这是无机太阳电池所不可比拟的优点。因此，我们致力于研究有机太阳电池材料，希望推动有机太阳电池朝着工业化方向发展，为国家光伏产业的发展做出一份贡献。

NO.2AMR：请问您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

近年来，OSCs发展迅速，是一种潜在的清洁能源利用技术。而其真正要实现商业化，还需达到高效率、低成本、高稳定性的要求。期待在未来，通过对材料设计以及器件工艺的进一步优化，能够解决OSCs在走向产业化过程中面临的挑战。

NO.3AMR：请和大家分享一下该领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

效率、成本、稳定性是OSCs实现商业化所必须要考虑的三个关键因素。虽然NFREAs合成简便并且展现出了良好的稳定性，其在效率方面仍有待提升。未来也许可以从以下几个方面着手对NFREAs进行改进：

1.保证构象稳定性。NFREAs分子结构单元间由单键连接，不可避免会面临构象不确定的问题，不利于形成有序的分子堆积，进而会影响电荷传输，导致电荷复合。因此，固定分子构象有利于优化分子堆积模式。

2.优化分子堆积模式。电子受体材料间的电荷传输主要依赖于末端之间的π-π堆积，分子末端间形成3D网络堆积模式有利于提升器件效率。

3.调整带隙。根据S-Q理论，光伏材料的理想吸收带边应位于900nm左右，通过对NFREAs结构进行调整有望达到这一范围。

4.为了使给受体材料更加匹配，还需要进一步探究给受体间的匹配原则。

作者团队简介

浙江大学高分子系

教授陈红征

陈红征，1988年浙江大学本科毕业，1994年浙江大学博士毕业后留校任教，1999年晋升为教授，2011年受聘为浙江大学求是特聘教授。先后在香港科技大学(1999)、比利时Antewerp大学和欧洲高校微电子中心（IMEC）(1999-2001)、美国Stanford大学(2005和2007)进行访问研究。主要从事有机高分子和有机无机杂化钙钛矿光电功能材料与器件的研究工作，在Nat. Nano., Adv. Mater., Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Joule, Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater. 等本领域著名学术刊物发表论文400多篇。

浙江大学高分子系

博士生沈晴

沈晴，本科毕业于浙江大学高分子系，现为浙江大学高分子系2022级直博生，导师为陈红征教授。研究方向为非稠环电子受体的设计合成及其光伏应用。

浙江大学高分子系

博士生何程亮

何程亮，浙江大学高分子系2018级直博生，导师为陈红征教授。研究方向为近红外有机电子受体的设计合成及其光伏应用，近年来在有机太阳能电池分子设计合成与器件性能研究方向取得系列成果，以第一作者身份在 Adv. Mater., Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Adv. Func. Mater.等期刊发表了相关工作。

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Design of Non-fused Ring Acceptors toward High-Performance, Stable, and Low-Cost Organic Photovoltaics

Qing Shen, Chengliang He, Shuixing Li, Lijian Zuo, Minmin Shi, and Hongzheng Chen*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.2c00052

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