近期，纳米科学与工程研究院宋金生教授团队在高效完全非稠环有机光伏受体材料设计领域取得新进展，相关成果以“Macrocyclic Encapsulation in a Non-fused Tetrathiophene Acceptor for Efficient Organic Solar Cells with High Short-Circuit Current Density”为题，以全文形式在国际化学顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表。
有机太阳能电池因质量轻，半透明和柔性等特有的优势，在光伏建筑一体化、光伏农业、万物互联等领域展现出广阔的应用前景。近年来，得益于新型光伏材料的开发和器件制备技术的优化，有机太阳能电池器件的光电转换效率已超过19%。然而，有机光伏领域的明星受体材料通常具有大π的共轭体系，该类单元的采用势必增加合成难度及成本，进而影响其商业化应用。目前，结构简单的完全非稠环电子受体材料有望将高性能与低成本合二为一，但仍缺乏详细的分子结构-光伏性能的构效关系研究。
宋金生教授研究团队以寡聚噻吩为切入点，针对非稠环共轭长度、修饰基团等问题，通过单键相连构筑了三、四联噻吩骨架，报道了系列完全非稠环电子受体（FNEAs）（Adv. Funct. Mater.,2021,31, 2101742，J. Mater. Chem. A,2023,11, 7498-7504），其中4T-3分子展现了优异的光伏性能-成本效益品质因子。然而，其扭曲的分子骨架、多重的分子构象严重制约了分子间高效电荷通道的构筑，致使短路电流密度（JSC）较低。因此，消除单键自由旋转的固有属性、实现单一的分子构象是构筑有效电荷传输通道和发展高性能FNEAs的关键途径。
针对上述问题，研究团队提出了一种共价大环包裹的精准构筑策略，用于FNEAs材料的设计，合成了R4T-1受体分子。 单晶结构显示，共价包裹环可以完美地覆盖分子中心骨架，限制单键自由旋转、实现骨架的平面化、获得稳定的单一分子构象。本文所设计的简单四联噻吩（4T）的环包裹策略即可获得与复杂多元稠环在可见-近红外区域相当的吸收、紧密有序的分子堆积，最终实现光电转换效率突破15%的有机光伏器件。其中，器件的JSC达到了25.48 mA/cm2，为目前已报道的FNEAs材料中的最高值。“大环包裹”的分子设计策略不仅获得了性能优异的FNEAs材料，同时也为FNEAs深入而系统的研究提供了理想且精准的分子研究模型，更为重要的是该策略将会助力有机光伏材料的简单化、实用化，从而走向实际应用（Angew. Chem. Int. Ed.2023, e202316495）。
纳米科学与工程研究院博士研究生申帅帅、2019级硕士研究生米雨为论文第一作者，宋金生教授为论文的通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金、河南省杰出青年基金、中原千人计划、河南省高校基础研究计划重点科研专项、河南大学黄河学者启动经费等项目大力支持。
团队简况：宋金生教授自2012年入职河南大学以来，先后主持获批国家自然科学基金4项，获得河南省杰出青年基金，河南省高层次人才特殊支持计划“中原青年拔尖人才”，“黄河学者”，河南省教育厅学术技术带头人，河南省青年骨干教师，河南省高层次人才，河南省青少年科技教育精准服务试点专家等荣誉称号。目前，主要从事新型有机共轭材料、有机太阳能电池、柔性电子器件、共轭高分子化学等方面的研究工作，在J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等期刊发表SCI论文60余篇，获批专利3项，受邀与国内外学者合著太阳能电池领域著作1部。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202316495
