A-DAꞌD-A型非富勒烯受体助力有机太阳能电池的发展

中南大学邹应萍教授等系统总结了A-DAꞌD-A型非富勒烯受体（NFAs）在有机太阳能电池（OSCs）中的应用进展，揭示了A-DAꞌD-A型NFAs分子结构-性能关系，并展望了进一步提高有机太阳能电池性能的途径。

有机太阳能电池作为能源短缺和环境污染问题的重要解决方法之一，近五年得到了快速的发展，很大程度上得益于NFAs材料的发展。2019年，邹应萍课题组开发的A-DAꞌD-A型NFA（Y6）引起了广泛关注，基于此结构，单结有机太阳能电池的能量转换效率（PCE）达到了17.4%（NREL认证），为目前有机太阳能电池最高验证效率。 

2017年，邹应萍组率先报道了五元稠环受体分子BZIC，其具有优异的吸收（薄膜吸收比ITIC红移近80 nm）和低的能量损失（0.61 eV），此工作开启了高性能A-DAꞌD-A型NFAs的研发序章。基于A-DAꞌD-A分子设计策略，该组对BZIC进行了系列优化。首先，将五元稠环拓展为七元稠环得到Y1，进一步增强了光吸收和降低了能量损失；然后，通过引入侧链，减少异构体，得到Y9；接着，把中心核BTA替换成BT单元得到Y5，实现了平衡的电荷传输，提高了填充因子（FF）；最后，对Y5进行端基氟化，得到Y6，进一步降低带隙、增强吸收和提高迁移率，与聚合物给体PM6共混，获得了15.7%的当时记录效率。A-DAꞌD-A型NFAs（Y6）的发展过程见图1。                           

图1. A-DAꞌD-A型非富勒烯受体（Y6）的发展过程 

A-DAꞌD-A型NFAs相比于A-D-A型NFAs有下列优势：1）缺电子中心核Aꞌ（如BT单元）增加了分子内和分子间的D-A相互作用，提高了电荷传输；2）吡咯桥环具有强的给电子能力，作为共轭体系的给电子单元，提升NFA的HOMO能级并减小带隙。 

本文中，作者首先对A-DAꞌD-A型NFAs在有机太阳能电池中的进展及其分子结构-性能关系进行综述。接着，对如何进一步提高非富勒烯有机太阳能电池性能进行了展望：1）A-DAꞌD-A型NFAs的改性。首先，拓宽稠环骨架，以提高光吸收和电荷传输性能。其次，使用非对称结构，增加分子偶极矩，改善分子间作用力并优化分子堆积。进一步，引入合适的侧链平衡给/受体的结晶性和共混性。最后，使用端基工程调控分子的光电性能。2）开发新的给体材料匹配A-DAꞌD-A型NFAs。3）深入探索A-DAꞌD-A型NFAs基有机太阳能电池器件机理，如电荷传输和能量无序度，反馈指导合成更加高效的A-DAꞌD-A型NFAs。4）优化器件结构，如三元器件提高有机太阳能电池性能，使用不同带隙的光活性材料用于叠层器件，使用新的传输层材料以调节载流子传输等。 

文章第一作者为中南大学博士生魏擎亚，通讯作者为中南大学邹应萍教授。详见Qingya Wei, Wei Liu, Mario Leclerc, Jun Yuan, Honggang Chen, Yingping Zou. A-DA′D-A non-fullerene acceptors for high-performance organic solar cells. Sci China Chem., 2020, DOI: 10.1007/s11426-020-9799-4. 本文将收录于Sci. China Chem. 2020 Emerging Investigator Issue.

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