面對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)已成為實現(xiàn)“雙碳”目標的關(guān)鍵路徑。在這一背景下，有機太陽能電池(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)與工程研究所有機光電材料與器件團隊長期從事高效有機太陽能電池的研究(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，該團隊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)晶度受體材料實現(xiàn)高效率有機太陽能電池)”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，實現(xiàn)了器件效率和穩(wěn)定性的協(xié)同提升。
有機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錫試劑的使用，副產(chǎn)物僅為氫氣，顯著降低合成對環(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)官能團化反應(yīng)過程，實用性更強，為有機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進行對比研究發(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，從而形成更細小的相分離結(jié)構(gòu)(如圖2)。這種優(yōu)化的形貌顯著增強了激子解離效率，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)計指導(dǎo)，經(jīng)濟、綠色的合成路線也有助于促進有機光伏技術(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)新人才支持計劃(BX20230386)的支持。
圖1(a)直接C-H活化的分子設(shè)計策略；(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)對應(yīng)器件的J-V曲線；(e)對應(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間演變圖
