有机太阳能电池（OSCs）具有柔性、半透明、可大面积印刷等特点，在建筑一体化、可穿戴电子设备及邻近空间等领域具有广阔的应用前景。近年来，随着稠环非富勒烯受体的发展，有机太阳能电池的光伏效率已经达到19%。除了效率的继续提升外，如何进一步降低OSCs的制备成本成为热点课题之一。相比于稠环受体，非稠环受体合成路线简单且收率高，可以有效地降低材料合成成本。然而，绝大多数非稠环OSCs依赖于复杂的器件优化，包括添加剂、热退火、溶剂退火及热溶液或热旋涂等。添加剂的过度使用增加了环境污染，而其他预/后处理亦会增加能耗和工艺复杂性。因此，如何从分子设计角度出发，调控非稠环受体材料的本征性能以适应铸态OSCs的制备成为关键。
最近，中科院青岛能源所包西昌/李永海团队结合侧链工程构建新型非稠环受体及低成本光伏电池，并探讨了侧链结构对分子间相互作用的影响。相关研究成果近期发表在Adv. Funct. Mater.（Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2301575）期刊。
图1. TOC（来源：Adv. Funct. Mater.）
调节非稠环受体苯烷基侧链制备简单高效有机太阳能电池
在之前的工作中，包西昌、李永海课题组提出了一条新的侧链功能化思路（Adv. Mater., 2019, 31, 1807832; The Innovation, 2021, 2, 100090）以调控受体材料的结晶性以及本体异质结（BHJ）的共混性，即在规整的烷基侧链末端引入大位阻苯基（Ph）对分子排列进行适度扰动。随后的研究证明：侧链末端的芳香基团除了位阻效应外，还可通过范德华作用调控与给体分子间的相互作用，进而优化活性层形貌和给受体分离相（Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2200166; Adv. Mater., 2023, 35, 2208986）。在最近的工作中，他们将苯烷基侧链首次应用于非稠环受体分子的设计，并通过微调烷基链段的长度调控材料聚集态结构及给受体分子间作用构型，构建具有本征良好分子堆积及聚集特性的非稠环分子体系。经过苯烷基侧链优化的非稠环受体，在无需经过任何预/后处理情况下，其光伏器件即可实现>13%的能量转换效率（PCE），为高效、低成本OSCs的研究提供了范畴。具体内容如下：
图1. 材料基本性质研究（来源：Adv. Funct. Mater.）通过对材料基本性质进行研究（图1），作者发现相对于烷基侧链受体DOC2C6-2F，吸收光谱红移达到80 nm，有利于捕获更多的太阳光子；其次，侧链烷基链段长度对非稠环受体的堆积方式展现出截然不同的影响，在C4Ph修饰的分子BOR-C4Ph具有更强的结晶性与优势堆积取向，而C3Ph修饰的受体分子则表现出无序的分子堆积取向。图2. 光伏性能研究（来源：Adv. Funct. Mater.）图3. 给受体共混膜微观形貌及分子堆积研究（来源：Adv. Funct. Mater.）随后，作者基于BOR-CxPh受体体系及聚合物给体PBDB-T制备了光伏器件（图2）。结果表明，基于BOR-C4Ph的共混膜形成更均匀的相分离形态，清晰的纤维条状结构，并且具有face-on为主的分子堆叠结构（图3），有利于实现高效的电荷传输。相较于另外两个非稠环受体，基于BOR-C4Ph的共混膜π-π堆积强度更高且堆积距离更小。基于PBDB-T: BOR-C4Ph的铸态器件开路电压（VOC）为0.827 V、短路电流密度（JSC）为22.67 mAcm-2，填充因子（FF）为70.03%，PCE达到13.12%。良好的光伏性能同样反映了活性层内部较好的激子分离/电荷传输性能以及低的复合损失。据悉，13.12%的PCE是基于非稠环受体的铸态有机太阳能电池器件的效率最高值。图4. D/A分子间相互作用研究（来源：Adv. Funct. Mater.）作者随后对三组共混体系相关的D/A相互作用进行了分析（图4）。烷基链段的不同长度导致了不同的给受体作用空间构型。PBDB-T/BOR-C4Ph及PBDB-T/BOR-C6Ph两组构型中受体分子侧链末端的苯基与给体分子骨架产生更多的π-轨道重叠，促进了D/A界面处激子解离与电荷产生与转移。另外，更强的相互作用增强了给受体之间的相容，为给受体两相的交融分散提供了额外助力。综上，该工作报道了一种调控非稠环受体本征聚集态、构建高性能、简单易得铸态OSCs的方法，研究结果可为低成本有机光伏电池的开发提供借鉴。相关研究成果最新发表于国际著名期刊Advanced Functional Materials上，题为“Easily Available High-Performance Organic Solar Cells by Regulating Phenylalkyl Side Groups of Non-Fused Ring Electron Acceptors”。论文第一作者为王俊杰博士，共同一作为栾庆瑞同学，包西昌研究员和李永海副研究员为共同通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金、中科院青促会项目、山东能源研究院等项目的资助。作者所在的先进功能材料与器件研究团队组建于2009年4月，隶属于中国科学院青岛生物能源与过程研究所-太阳能研究室，荣誉主任褚君浩院士。成员学科背景分布于材料学（化学）、工程、理论计算、生物等领域，多学科交叉开展新型光伏关键技术与智慧生态的研究与推广。研究组既注重基础科学创新，同时也大力发展科研成果的技术应用，十余年来，秉承敢于创新、锐意进取的精神，已在领域内取得系列显示度成果。包西昌，博士，研究员，博士生导师。2010年于中科院上海技物所获得博士学位。同年6月加入中科院青岛生物能源与过程研究所。近年来致力于光电材料与器件、功能复合材料、光伏应用等方面研究，并取得了多项原创性研究成果。主持参与军委科技委，科技部国际合作、国家自然基金、中科院，山东省重大项目、自主部署等项目10余项。迄今已在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater.、Cell Rep. Phys. Sci.等期刊上发表文章100余篇，并授权中国发明专利10项。多次荣获优秀导师称号，指导的研究生获得中科院院长奖、山东省优秀毕业生、国家奖学金（多人次）等荣誉。李永海，博士，副研究员，中科院青促会会员，“清源学者”青年人才。2009年本科毕业于山东大学，2014年博士毕业于中科院化学所有机固体实验室-张德清课题组，同年加入中科院青岛能源所。主要从事新型有机太阳能电池材料开发与器件工艺研究，相关研究工作发表在Adv. Mater.、Angew. Chem.、The Innovation、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.等期刊，并主持国家、省、市及中科院项目等10余项。
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