Nature子刊：小分子受體的低成本合成推動聚合物太陽能電池商業化

景行 1年前 (2022-07-09) 1422瀏覽

01【導讀】

近年來，聚合物太陽能電池（PSCs）因其重量輕、柔韌性好、成本低、溶液加工面積大等優點而引起了廣泛的研究關注。近年來，PSCs的功率轉換效率（PCEs）已達到18%以上，這主要得益于新興的窄帶隙小分子受體（SMAs）具有易于調節的結構、在近紅外區域的強吸收和光電流產生過程中的光子能量損失更低。隨著 PSCs 的 PCEs 接近商業上可行的效率，人們越來越關注光伏材料的成本。最近，各種低成本的聚合物給體，如聚噻吩-喹喔啉衍生物，已經很好地與SMAs一起匹配使用。因此，從成本的角度來看，PSCs商業化的瓶頸，是低成本SMAs的設計和合成。

02【成果掠影】

近日，北京化工大學張志國教授等人發表了研究性論文，開發了一種簡單且廉價的三氟化硼乙醚絡合物（BF3???OEt2）催化的 Knoevenagel 縮合反應來應對這一挑戰。與傳統制備相比，合成高性能的SMAs（如ITIC-4F和Y6）的成本可降低50%。

相關綜述文章以“Low-cost synthesis of small molecule acceptors makes polymer solar cells commercially viable”為題發表在Nature Communications上。

03【核心內容】

  1. 在乙酸酐存在下，通過三氟化硼乙醚絡合物（BF3???OEt2）促進Knoevenagel 縮合反應，醛封端?D 單元和?A 端基團的偶聯可以在?15 分鐘內定量完成。通過此反應，可以更輕松地對廣泛使用的 SMAs 進行克級制備。此外，這種方法便于合成新的 SMAs，尤其是那些具有新 A 端基的 SMAs。
  2. 最重要的是，對于高性能 SMA（如 Y6），其合成成本與傳統制備方法相比可降低約50%。因此，該工作提供了一種在室溫下用非金屬催化劑合成 SMA 的更環保、大規模和低成本的方法，這對于 PSCs 的商業化是可取的。

04【數據概覽】

圖一、全小分子受體的合成? 2022 The Authors

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圖二、機理研究? 2022 The Authors

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圖三、化學結構和合成路線? 2022 The Authors

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圖四、PSCs的光伏性能? 2022 The Authors

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作者簡介

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張志國，北京化工大學教授，博士生導師。2009年于武漢大學獲得博士學位，期間參加“國家公派博士生聯合培養項目”在新加坡學習2年。2009年在中國科學院化學所跟隨李永舫院士從事博士后研究，2012年3月晉升副研究員，2018年5月調到北京化工大學工作，組建光伏材料與器件實驗室。主要從事聚合物光伏材料的設計與器件制備。累計發表SCI論文165余篇，包括ESI高引論文21篇，“中國百篇最具影響國際學術論文”3篇；近年來作為第一或者通訊作者在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊上發表研究論文80余篇。中英文著作2章節。全部論文SCI總他引超過15000次，H因子達61。關鍵材料申請國家發明專利12項，已授權7項。2016年入選北京市科技新星人才計劃，2017年獲得國家基金委優秀青年基金資助，2018-2021連續4年入選Clarivate Analytics “全球高被引科學家”名錄。同時擔任《功能高分子學報》青年編委和ES Energy & Environment 編委。近年來緊密圍繞活性層給、受體和界面修飾層關鍵材料的一體化設計與制備，開展了系統的工作，發展了多項具有自主知識產權的關鍵材料，并多次實現了世界領先的電池效率。主要創新點集中在三個方面： （1）提出了小分子受體高分子化 (Polymerized Small Molecule Acceptors，PSMA)的概念用于構筑強吸收、窄帶隙聚合物受體，PSMA被認為是一種“性能最為優異的聚合物受體，同時提高器件效率和形貌穩定性”。該概念已被國內外20多個課題組采用，相關研究推動了全聚合物太陽電池的新發展。PSMA已經發展成為國際上重要的前沿研究方向。 (2）提出界面兼容性調控新思路，發展了性能優異的陰極界面修飾層材料。在所發展的結構簡單、導電性高的n-型苝酰亞胺類界面修飾層材料的基礎上，提出了氫鍵作用增強界面間兼容性的策略，調和了界面工程中穩定性和效率的矛盾。

文獻鏈接：Low-cost synthesis of small molecule acceptors makes polymer solar cells commercially viable. Nat Commun 13, 3687 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31389-y.

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