中國科學院寧波材料技術與工程研究所有機光電材料與器件團隊長期從事高效有機太陽能電池的研究(Chem. Soc. Rev. 2024, 53, 2350; Adv. Mater. 2024, 36, 2401789; Adv. Mater. 2025, 37, 202414080 ; Energy Environ. Sci., 2024,17, 7318; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63,e202401518 )。近期，該團隊葛子義研究員和楊道賓副研究員聯(lián)合四川大學黃艷教授在能源領域頂級期刊Energy & Environmental Science上發(fā)表題目為“Direct C–H arylation-derived low crystallinity guest acceptor for high efficiency organic solar cells(直接C-H活化構筑低結晶度受體材料實現(xiàn)高效率有機太陽能電池)”的研究論文(Energy Environ. Sci., 2025, DOI: 10.1039/D5EE00542F)，通過直接C-H活化開發(fā)了一種低結晶度客體受體D-IDT，將其引入D18:BTP-eC9體系后，實現(xiàn)了器件效率和穩(wěn)定性的協(xié)同提升。
 

　　有機太陽能電池中活性層材料的合成十分依賴Stille反應，但該方法存在原子經濟性差、成本高、環(huán)境污染等系列問題。為解決這一難題，本研究采用直接C-H活化策略，通過C-H/C-H交叉偶聯(lián)反應成功合成了A-D-D-A型受體D-IDT。與傳統(tǒng)的C-H/C-X反應相比，該策略避免了劇毒有機錫試劑的使用，副產物僅為氫氣，顯著降低合成對環(huán)境的影響。此外，該策略合成步驟更少、產率更高以及無需復雜的預官能團化反應過程，實用性更強，為有機光伏材料的綠色合成提供了新思路(如圖1)。
 

　　此外，與高結晶度的A-D-A型受體S-IDT進行對比研究發(fā)現(xiàn)，D-IDT雖然具有更大的π共軛平面，但其分子間相互作用減弱，結晶度降低。這種特性能夠促進主體受體BTP-eC9的快速聚集并抑制其過度自組裝，從而形成更細小的相分離結構(如圖2)。這種優(yōu)化的形貌顯著增強了激子解離效率，降低了非輻射電壓損失，使基于D18:BTP-eC9:D-IDT的器件的光電轉換效率達到了19.92%。此外，D-IDT的引入也很好改善了器件的光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。這一結果揭示了客體材料的結晶特性與活性層混合形態(tài)之間的影響規(guī)律，為開發(fā)高效客體材料提供了分子設計指導，經濟、綠色的合成路線也有助于促進有機光伏技術的商業(yè)化應用。
 

　　寧波材料所碩士研究生丁鵬飛和四川大學博士研究生戎緒剛為論文共同第一作者，寧波材料所葛子義研究員、楊道賓副研究員和四川大學黃艷教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了國家科學杰出青年學者基金(21925506)、國家自然科學基金(U21A20331、22439004、22409202)和博士后創(chuàng)新人才支持計劃(BX20230386)的支持。
 

　　圖1(a)直接C-H活化的分子設計策略；(b)S-IDT和D-IDT的化學結構；(c)S-IDT和D-IDT 薄膜的二維GIWAXS圖；(d)對應器件的J-V曲線；(e)對應器件的光穩(wěn)定性

 

　　圖2(a)三種共混體系在旋涂過程中的原位二維紫外-可見吸收輪廓圖；(b)相應體系的原位紫外-可見吸收線剖面圖；(c)從相應吸收輪廓圖中提取的受體峰位置的時間演變圖