IF：79.8！中科院化学所，最新Nature系列综述，中英文署名！

摘要：开发低成本、高性能的有机光伏（OPV）材料是目前OPV领域的研究重点，因为最先进的OPV电池的材料成本过高，无法实现工业化。在分析最先进的OPV材料（包括聚合物电子供体和小分子电子受体）时，高光电性能的主要先决条件（包括光电和形态特性）已十分明确。然而，由化学

开发低成本、高性能的有机光伏（OPV）材料是目前OPV领域的研究重点，因为最先进的OPV电池的材料成本过高，无法实现工业化。在分析最先进的OPV材料（包括聚合物电子供体和小分子电子受体）时，高光电性能的主要先决条件（包括光电和形态特性）已十分明确。然而，由化学取代位较少的简单构件组成的低成本材料在同时获得理想的光电和形态特性方面面临挑战。

鉴于此，中科院化学所侯剑辉教授、张少青副教授首先总结了高性能OPV材料分子设计中的关键因素。随后，他们讨论了低成本材料分子设计方面的研究进展和面临的挑战。最后，他们概述了与未来低成本OPV材料分子设计相关的主要想法和见解，重点关注效率和稳定性。相关研究成果以题为“Molecular design for low-cost organic photovoltaic materials”发表在最新一期《Nature Reviews Materials》上。杨霓为本文一作。

【OPV材料分子设计的关键因素】

有机光伏(OPV)电池的光活性层通常包含电子供体(供体)和电子接受体(受体)材料的混合物。要实现高效率，需要平衡几个关键特性，包括互补的光吸收、对齐的能级、高且平衡的电荷迁移率，以及在混合物中形成适当的纳米级相分离。这些考虑因素决定了分子的设计和精炼方式。

作者突出显示了广泛使用的含有苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)单元的供体聚合物家族的分子结构和聚集特性（图1）。代表性示例包括PBDB-T、PBDB-TF、D18和PBQx-TF。尽管它们的结构细节有所不同（一些包含氟化侧链，而另一些则包括不同的电子缺陷共聚单体），但它们都具有实现高性能的关键属性：（i）平面主链，可实现强大的分子内和分子间π-π相互作用，（ii）相对于常用受体，前沿轨道能级匹配良好，以及（iii）溶液中强大的“预聚集”行为，有助于在最终薄膜中形成有利的相分离。图1还显示了纯供体膜及其混合物的形态图像（例如，原子力显微镜高度/相图），说明了这些聚合物如何形成纳米级聚集体，即使引入受体后这些聚集体仍会持续存在。这种预聚集效应支持高效的电荷传输途径，从而提高器件性能。

图 1. BDT-聚合物供体的分子结构和聚集效应

在受体方面，成功的设计同样强调了平面性和强大的分子内电荷转移(ICT)。图2描绘了典型A–D–A（受体–供体–受体）核心结构，常用于高性能OPV受体，如ITIC、Y6及其衍生物。这些分子由中央富电子核心单元、两侧为吸电子端基以及非共轭、空间上体积庞大的侧链组成。体积庞大的侧链迫使分子在固态下采用有利的堆积结构，确保强吸电子端基形成连续的π–π堆积路径以进行电子传输。此外，可以调整取代基（例如氟或氯原子）的相对位置和类型以移动吸收边并降低或提高LUMO（最低未占据分子轨道）能级，从而优化与供体的整体能级对齐。当基于BDT的供体与A–D–A受体配对时，所得器件通常表现出优异的性能和填充因子，最先进的混合物的功率转换效率(PCE)超过18–19%。然而，供体和受体（氟或氯取代基、复杂的稠环核心、多步骤合成）的复杂性不断增加，导致材料成本过高。

图 2. 小分子受体的分子结构和特性

【面向低成本OPV材料的分子设计】

本文的大部分内容重点介绍了如何降低这些材料的成本，同时又不损失当前供体-受体系统所实现的高PCE。目前已出现了几种广泛的策略：（1）简化现有的高性能供体。一种方法是从广泛使用的供体（如PBDB-TF）开始，用更简单的部分替换其一些复杂的构建块。通过修改侧链（例如，用氯代替氟）、减少或去除融合的电子缺陷单元，以及以其他方式减少合成步骤的数量，研究人员可以获得仍然表现出强吸收、适当的前沿轨道能量和稳健形态特征的供体（如PTO2、PBDB-TCl或P5T-2F）。尽管这些新供体的合成成本较低，但它们保留了对设备性能至关重要的平面、预聚集特性。（2）开发新的共轭骨架。各种“低成本”供体聚合物骨架的例子，这些骨架与标准的含BDT骨架不同。在这里，研究人员加入了吸电子单元，如吡嗪或喹喔啉（如PTQ10、PPz-T或其他），以降低HOMO水平并保持延长的共轭。聚（噻吩乙烯）（PTV）家族中的聚合物同样已成为具有成本效益的替代品，只要它们经过功能化以保持平面几何形状即可。如图3所示，PTVT-T结合了酯取代基并利用分子内非共价相互作用（例如O··H或O··S）来稳定平面链构象。当这些新设计的更简单的供体与合适的受体混合时，设备效率可以超过16%。（3）工程聚噻吩型材料。衍生的聚噻吩（超越原始的P3HT），它们添加了吸电子基团（氟、氰基或酯基单元）以更好地调整吸收光谱和前线轨道。PDCBT、PDCBT-2F和P5TCN-2F等聚合物符合这一策略。它们提供更深的HOMO能级，在适当的混合条件下效率可超过13-16%。虽然到目前为止还没有一种能达到最好的BDT基供体的效率，但它们的合成简单性和原材料成本较低可能是巨大的优势。

图 3. 低成本聚合物供体材料的分子结构

在受体方面，降低成本的关键是超越ITIC和Y6衍生物中使用的完全稠合环方法。这些稠合受体的成本驱动因素在于大而刚性核心的多步合成。作者展示了部分或完全非融合受体作为替代方案（图4），其中心核心由较小的环单元（例如噻吩并[3,2-b]噻吩、简单苯或短噻吩低聚物）和设计用于锁定构象的庞大侧链构成。部分非融合受体通常包含较小的融合亚基（例如CPDT），这仍然降低了合成的复杂性。完全非融合受体通过纯粹依赖苯基或寡噻吩核心进一步降低了合成的复杂性。当存在有效的非共价分子内相互作用（例如F··S、O··S）时，这些分子尽管缺乏环融合，但仍可以保持相当平面的主链。庞大的侧链基团还可以帮助引导有利的3D堆积，从而保持可观的电子迁移率。虽然非融合受体最初受到大带隙和次优畴形成的阻碍，但正在进行的研究表明，精心布置侧链和卤化可以产生更窄的光学间隙、改善能级排列和稳健的共混形貌。例如，TBT-26（图4）是一种简单的噻吩-苯-噻吩受体，在战略位置带有烷氧基取代基，以增强分子内电荷转移并实现红移吸收。由此产生的OPV电池效率可达17%。显然，进一步的设计改进——特别是在控制表面能以实现稳定的BHJ形貌方面——对于确保更简单的受体匹配或接近更昂贵的融合衍生物的性能至关重要。

图 4. 非融合受体的分子结构

【成本计算】

作者反思了低成本OPV材料的未来前景，强调了技术挑战和更广泛的经济考虑：（1）成本估算和合成效率：图5概述了如何通过分析原材料（追溯到市售化学品）、反应步骤、产量和净化需求来评估材料成本。噻吩、苯或萘等常见结构块可能以低成本批量供应，但某些杂环中间体和大型稠合结构会推高价格。因此，作者认为，分子设计界应该采用一致、现实的指标——例如“仅材料成本”（MOC）计算或明确定义的“合成复杂性”（SC）评估——以确保新候选物真正降低费用。（2）平衡效率和简单性：作者指出，虽然许多低成本供体和受体确实可以提供高PCE（例如15-17%），但一流的“复杂”系统仍能达到约19-20%。对于某些小众应用（如便携式或室内光伏、建筑一体化或农业光伏），如果能显著降低模块成本，效率略有下降可能是可以接受的。因此，该领域必须更好地确定如何在使用更简单的构建块的同时保持形态稳定性、低能量损失和稳健的设备操作。

图 5. 有机光伏材料中常用结构单元纯材料成本计算结果

形态控制和寿命：另一个决定性问题是如何在两种组分都具有较少稳定基团或平面约束的混合物中实现形态稳定性。图 6 概述了形态控制策略：(i) 引入极性取代基来管理可混合性，(ii) 应用合理的溶剂或热处理步骤，以及 (iii) 使用稳定侧链将分子锚定在最佳堆积基序中。确定这些更简单的材料可以在多个操作周期内保持良好的性能至关重要。在确定长期成本效益方面，设备稳定性和使用寿命与初始 PCE 一样重要。