Nature子刊：小分子受体的低成本合成推动聚合物太阳能电池商业化

景行 2年前 (2022-07-09) 2523浏览

01【导读】

近年来，聚合物太阳能电池（PSCs）因其重量轻、柔韧性好、成本低、溶液加工面积大等优点而引起了广泛的研究关注。近年来，PSCs的功率转换效率（PCEs）已达到18%以上，这主要得益于新兴的窄带隙小分子受体（SMAs）具有易于调节的结构、在近红外区域的强吸收和光电流产生过程中的光子能量损失更低。随着 PSCs 的 PCEs 接近商业上可行的效率，人们越来越关注光伏材料的成本。最近，各种低成本的聚合物给体，如聚噻吩-喹喔啉衍生物，已经很好地与SMAs一起匹配使用。因此，从成本的角度来看，PSCs商业化的瓶颈，是低成本SMAs的设计和合成。

02【成果掠影】

近日，北京化工大学张志国教授等人发表了研究性论文，开发了一种简单且廉价的三氟化硼乙醚络合物（BF3 ∙ OEt2）催化的 Knoevenagel 缩合反应来应对这一挑战。与传统制备相比，合成高性能的SMAs（如ITIC-4F和Y6）的成本可降低50%。

相关综述文章以“Low-cost synthesis of small molecule acceptors makes polymer solar cells commercially viable”为题发表在Nature Communications上。

03【核心内容】

  1. 在乙酸酐存在下，通过三氟化硼乙醚络合物（BF3 ∙ OEt2）促进Knoevenagel 缩合反应，醛封端 D 单元和 A 端基团的偶联可以在 15 分钟内定量完成。通过此反应，可以更轻松地对广泛使用的 SMAs 进行克级制备。此外，这种方法便于合成新的 SMAs，尤其是那些具有新 A 端基的 SMAs。
  2. 最重要的是，对于高性能 SMA（如 Y6），其合成成本与传统制备方法相比可降低约50%。因此，该工作提供了一种在室温下用非金属催化剂合成 SMA 的更环保、大规模和低成本的方法，这对于 PSCs 的商业化是可取的。

04【数据概览】

图一、全小分子受体的合成© 2022 The Authors

 

图二、机理研究© 2022 The Authors

 

图三、化学结构和合成路线© 2022 The Authors

 

图四、PSCs的光伏性能© 2022 The Authors

 

作者简介

 

张志国，北京化工大学教授，博士生导师。2009年于武汉大学获得博士学位，期间参加“国家公派博士生联合培养项目”在新加坡学习2年。2009年在中国科学院化学所跟随李永舫院士从事博士后研究，2012年3月晋升副研究员，2018年5月调到北京化工大学工作，组建光伏材料与器件实验室。主要从事聚合物光伏材料的设计与器件制备。累计发表SCI论文165余篇，包括ESI高引论文21篇，“中国百篇最具影响国际学术论文”3篇；近年来作为第一或者通讯作者在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊上发表研究论文80余篇。中英文著作2章节。全部论文SCI总他引超过15000次，H因子达61。关键材料申请国家发明专利12项，已授权7项。2016年入选北京市科技新星人才计划，2017年获得国家基金委优秀青年基金资助，2018-2021连续4年入选Clarivate Analytics “全球高被引科学家”名录。同时担任《功能高分子学报》青年编委和ES Energy & Environment 编委。近年来紧密围绕活性层给、受体和界面修饰层关键材料的一体化设计与制备，开展了系统的工作，发展了多项具有自主知识产权的关键材料，并多次实现了世界领先的电池效率。主要创新点集中在三个方面： （1）提出了小分子受体高分子化 (Polymerized Small Molecule Acceptors，PSMA)的概念用于构筑强吸收、窄带隙聚合物受体，PSMA被认为是一种“性能最为优异的聚合物受体，同时提高器件效率和形貌稳定性”。该概念已被国内外20多个课题组采用，相关研究推动了全聚合物太阳电池的新发展。PSMA已经发展成为国际上重要的前沿研究方向。 (2）提出界面兼容性调控新思路，发展了性能优异的阴极界面修饰层材料。在所发展的结构简单、导电性高的n-型苝酰亚胺类界面修饰层材料的基础上，提出了氢键作用增强界面间兼容性的策略，调和了界面工程中稳定性和效率的矛盾。

文献链接：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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