合理设计与合成交叉共轭型小分子受体材料及其在非富勒烯聚合物太阳能电池中的应用
聚合物太阳能电池（PSCs）因其质轻、价廉、可溶液加工以及能够实现“卷对卷”印刷制备大面积柔性器件等优点而备受关注，而且，随着光活性层材料（包括电子给体与电子受体材料）的不断设计和开发，有机太阳能电池的光电转化效率（PCE）在单层和叠层器件中均已突破14%。但是，目前高效的PSCs一直在围绕ITIC明星小分子受体材料改性，其发展空间已经很小，所以有待开发新的结构和体系。
图1. 有机太阳能电池结构及交叉共轭型小分子受体材料结构示意图
近期，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室黄飞教授课题组结合了A-D-A型受体和PDI型受体的优点，以苯并二噻吩（BDT）为核，噻吩和炔键分别作为桥接单元，设计合成了三个新型的交叉共轭型小分子受体材料PDIBDT-RDN、PDIBDT-IT、PDIBDT-ITF，并系统地研究了它们的热学、光学、电化学和光伏性能。一方面，A-D-A结构导致分子内电荷转移，赋予分子强的跃迁偶极和宽而强的可见甚至近红外吸收；并且可通过改变端基A单元种类，来便捷地调节分子的能级和吸收光谱，从而实现与给体组合的多样化。另一方面，PDI作为构筑非富勒烯受体材料的一个有用单元，其具有较大的电子亲和能、π-π共轭平面、较高的电子迁移率以及优异的光、热、化学稳定性。在分子四个方向上同时引入这两种不同的受体材料，使其电荷传输更接近于富勒烯及其衍生物类电荷传输的各向同性，而且合成的这类受体小分子相比于普通的PDI类小分子，其吸收有所宽化。最终，基于以腈基茚酮作为端基的小分子受体材料PDIBDT-IT获得的器件，由于其有效的激子解离、高的电子迁移率和电荷传输的相对平衡，表现出6.06%的最高能量转化效率（开路电压VOC：0.74 V，短路电流JSC：13.60 mA/cm2，填充因子FF：60.45%），表明这种交叉共轭的分子设计策略的提出为未来高效非富勒烯有机太阳能电池中的活性层材料的设计提供了一个新的思路。
相关成果以《A Rational Design and Synthesis of Cross-Conjugated SmallMolecule Acceptors Approaching High-Performance Fullerene-FreePolymer Solar Cells》为题，发表在Chemistry of Materials（DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b01491）上。作者为Yan Liu（刘艳），Gongchu Liu（刘功础），RuihaoXie（谢锐浩），Zhenfeng Wang（王圳峰），WenkaiZhong（钟文凯），Yuan Li（李远）*，Fei Huang（黄飞）*，Yong Cao（曹镛）。相关工作得到了国家自然科学基金，国家科技部基金和广州市科技计划项目的资助。
