科学家发展出兼具高效率、低成本、高稳定的n-型光伏材料

近年来，得益于非富勒烯受体的发展，有机太阳能电池的光电转换效率取得重大突破。然而，同时兼具高稳定性、低成本和高效率的有机光伏材料与器件仍具挑战，成为其商业化应用的制约瓶颈。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，中科院化学研究所有机固体院重点实验室研究员朱晓张课题组在n-型光伏材料与器件研究方面开展深入研究，发展了系列高性能光伏受体材料，并构筑了系列高性能光伏器件。 
基于在n-型光伏材料的设计、合成及器件应用方面的积累，受到高迁移率稠环有机半导体成功设计的启发，该课题组在2021年提出了“全稠环电子受体（AFAR）”的设计概念，发展了高稳定性的光伏受体材料，其表现出更低的分子重组能和优异的化学、光化学及热稳定性，实现了接近10%的效率，相关成果发表在CCS Chem.（2021, 3, 1070–1080）上。  
最近，他们通过引入基于苯并噻二唑的核心骨架，发展了新的全稠环电子受体材料（F-受体），实现了近红外响应性。为了解决非富勒烯受体的宏量制备问题，研究人员利用高效分子内双C-H活化/环化方法开发了一套完整的合成路线，实现了一天内10克级材料的宏量制备。与目前报道的非富勒烯受体相比，其表现出更低的合成成本（与P3HT的成本相当）。研究表明，F-受体具有比主流3-（二氰基亚甲基）靛酮（ICNC）类受体更加优异的薄膜稳定性。单晶X射线结构分析表明，F-受体具有三维蜂窝型堆积结构，有利于电荷传输。基于全稠环电子受体的器件获得了13%的光电转化效率，是非INCN类受体材料的效率最高值。此外，空气中加工基于F-受体的器件展示出优良的光稳定性，表现出极小的“burn-in”损失。
该工作为协同解决有机太阳能电池中的成本、效率和稳定性难题提供了范例，相关成果发表在CCS. Chem.（2022, DOI: 10.31635/ccschem.022.202201963）上。