闵杰教授、李永舫院士团队合作开发了综合性能优异的有机光伏体系

简单结构的给体和受体材料对有机太阳能电池的实际应用起到了至关重要的作用。基于此，武汉大学闵杰教授和中国科学院化学研究所李永舫院士团队合作，采用端基工程和异构化策略来调控非稠环小分子受体材料的表面静电势能和结晶行为，成功地开发出了高效率、高稳定性、低合成成本的PTQ10:4T-2F2Cl有机光伏体系。通过绿色溶剂和刮涂工艺来调控该光伏体系的活性层异质结形貌，所制备的器件获得了16.31%的光电转换效率（PCE）和0.46的综合性能评价指标（i-FOM），显示出巨大的应用潜力。

近年来，随着窄带隙非富勒烯小分子受体和宽带隙聚合物给体材料的设计开发，许多有机光伏体系的器件PCE值超过了19%。然而，目前所有创纪录的高效率有机太阳电池（OSC）都严重依赖于合成复杂程度高的D-A型共轭聚合物给体、稠环电子小分子和聚合物受体。这些高效率光伏体系的给受体材料通常需要繁琐的合成路线，且展示出较高的合成成本。另外，这些高效率光伏体系的活性层通常通过高毒性的卤化溶剂（如邻二氯苯和氯仿）和旋涂工艺进行制备，无法满足实际应用要求。因此，开发出适合绿色溶剂和大面积制备工艺的高性能、低成本有机光伏体系对推动OSC的商业化至关重要，也是目前OSC研究领域的热点。

近日，闵杰教授和李永舫院士团队合作，通过改变端基上氟原子和氯原子的取代位置，设计合成了两种互为异构体的非稠环小分子受体材料4T-FClFCl和4T-2F2Cl（如图1所示）。由于端基上卤素取代的位置不同，使得这两种材料具有不同的表面静电势分布（ESP_4T-FClFCl>ESP_4T-2F2Cl）。此外，4T-FClFCl相对于4T-2F2Cl来说，有着较弱的结晶性。基于这些性质的差异，使得4T-FClFCl有着强的D/A相互作用和弱的自身A/A相互作用，而4T-2F2Cl分子则具有弱的D/A相互作用和强的自身A/A相互作用。

图1. 4T-FClFCl和4T-2F2Cl的光物理、纯膜结晶性和电荷传输性质

基于差异化的表面能和分子间相互作用力，4T-FClFCl和4T-2F2Cl与简单结构的聚合物给体PTQ10匹配时表现出不同的相容性，并反映在采用绿色溶剂和刮涂工艺所制备的器件性能上。基于PTQ10:4T-2F2Cl体系的器件效率值达到了16.31%，而PTQ10:4T-FClFCl体系的PCE仅为8.61%。值得一提的是，这两个低成本的有机光伏体系（PTQ10:4T-2F2Cl和PTQ10:4T-FClFCl）均表现出低的能量损失，分别为0.478和0.459 eV。

进一步探究了这两种低成本的有机光伏体系在最大功率点条件下的器件光稳定性。结果表明，更高效率的PTQ10:4T-2F2Cl器件展示出更加优异的光稳定性能（如图2所示）。随后，通过引入综合性能评价指标（i-FOM）的概念，作者对两种活性层体系的效率、稳定性和合成成本进行综合分析，量化了其综合性能指标。令人印象深刻的是，PTQ10:4T-2F2Cl光伏体系的i-FOM值可达0.46，是目前报道的最高值（如图2所示）。这一结果充分表明了该效率高、稳定性好、合成成本低的PTQ10:4T-2F2Cl光伏体系具有巨大的应用潜力。

图2. MPP条件下的光稳定性以及i-FOM值的统计图

相关研究成果以“Low-Cost Organic Photovoltaic Materials with Great Application Potentials Enabled by Developing Isomerized Non-Fused Ring Acceptor”为题发表在Sci. China. Chem., 2023, doi: 10.1007/s11426-022-1502-3。武汉大学高等研究院的博士生邵一鸣为文章的第一作者，武汉大学孙瑞博士、闵杰教授和李永舫院士为共同通讯作者。

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