成都理工大学彭强课题组ChemComm：Y系小分子受体最新研究进展—高效聚合物太阳能电池的设计策略与未来展望

摘要：随着可持续能源需求增长，聚合物太阳能电池因轻质、低成本和柔性备受关注。近年来，高性能光伏材料和器件工程创新推动聚合物太阳能电池光电转换效率突破20%，展现出商业化潜力。早期富勒烯类受体，如PC61 BM和PC71 BM，因可见光吸收弱、化学修饰性有限及活性层形

随着可持续能源需求增长，聚合物太阳能电池因轻质、低成本和柔性备受关注。近年来，高性能光伏材料和器件工程创新推动聚合物太阳能电池光电转换效率突破20%，展现出商业化潜力。早期富勒烯类受体，如PC61 BM和PC71 BM，因可见光吸收弱、化学修饰性有限及活性层形貌不稳定，限制了聚合物太阳能电池发展。2015年，ITIC系列受体通过推-拉结构设计实现强分子内电荷转移效应，拓宽了光学吸收范围。2019年，Y系小分子受体的出现标志着聚合物太阳能电池的新里程碑，Y6与PM6共混实现了15.7%的光电转换效率。Y6凭借其电子缺陷的苯并噻二唑（BT）中心核、强电子给体吡咯环和优化分子堆积的侧链设计，显著提升了电子迁移率，降低了非辐射复合损失。

近日，成都理工大学彭强教授、邓敏副教授系统总结了以苯并三唑（BTA）、苯并噻二唑（BT）和喹喔啉（Qx）为电子缺陷融合环中心核的Y系小分子受体的最新研究动态。文章重点分析了中心核工程、侧链工程和端基工程等分子结构优化策略对聚合物太阳能电池的光电子性能、薄膜形貌和器件性能的影响，并提出了提升聚合物太阳能电池效率的策略，为其未来的发展提供了方向。相关研究成果以题为“Recent progress in Y-series small molecule acceptors in polymer solar cells”发表在最近的《Chemical Communications》期刊上。邓敏为本文一作。

本文的核心观点是通过系统总结Y系小分子受体在聚合物太阳能电池中的最新研究进展，强调了分子结构优化策略对提升聚合物太阳能电池性能的关键作用。首先即分子结构优化的重要性：（i）中心核工程：通过改变中心核的电子性质，如电子供体或受体能力，可以调节小分子受体的能级和吸收特性。例如，苯并三唑（BTA）、苯并噻二唑（BT）和喹喔啉（Qx）等缺电子中心核的设计，显著提升了器件性能（图2 ）。（ii）侧链工程：侧链的长度、位置和类型对小分子受体的溶解性、结晶性和分子堆积行为有显著影响。通过优化侧链设计，可以实现更好的分子堆积和形貌，从而提高器件性能（图3-5，表1-2）。（iii）端基工程：端基的化学结构可以调节分子的电子性质和堆积方式，从而影响电荷传输和激子解离效率。例如，通过引入不同卤素原子或扩展共轭结构，可以优化分子的光电性能（图3 ，图6 ，表3 ）。

再者即Y系小分子受体的性能提升：（i）高效率的实现：Y系小分子受体通过优化分子结构，实现了超过20%的光电转换效率，显示出巨大的商业化潜力。例如，Y6与PM6共混实现了15.7%的光电转换效率，而后续优化的小分子受体如Y11、Y18等进一步提升了效率。（ii）非辐射复合损失的降低：通过合理的分子设计，Y系小分子受体显著降低了非辐射复合损失（ΔEnon-rad），提高了电致发光量子效率（EQEEL），从而提升了器件的整体性能。

同时也提出形貌优化与器件性能的关系：（i）分子堆积与形貌调控：通过优化分子结构，可以实现更有序的分子堆积和更优化的薄膜形貌。例如，通过引入刚性侧链或调整侧链长度，可以减少分子聚集，提高形貌稳定性，从而提升器件性能。

（ii）三元策略的应用：通过引入第三组分或采用合金化策略，可以进一步优化形貌，提高光吸收和电荷传输效率。例如，D18:BTPTTS:IDIC三元器件实现了19.22%的光电转换效率。

图1 PC61 BM、PC71 BM、ITIC和Y6的化学结构

图2Y系小分子受体的合成路线

图3 基于苯并三唑的Y系小分子受体的外侧链和端基修饰的化学结构

图4 基于苯并噻二唑的Y系小分子受体的β侧链修饰的化学结构

图5 基于苯并噻二唑的Y系小分子受体的吡咯环侧链修饰的化学结构

图6 基于苯并噻二唑的Y系小分子受体的端基修饰的化学结构

图7 基于非稠合的喹喔啉的Y系小分子受体的化学结构

图8 基于稠合的喹喔啉的Y系小分子受体的化学结构

本文全面梳理了Y系小分子受体在聚合物太阳能电池领域的前沿研究动态。Y系小分子受体凭借其独特的分子架构和出色的光伏特性，成为当前研究的焦点。从分子结构优化的角度，深入探讨了以苯并三唑（BTA）、苯并噻二唑（BT）和喹喔啉（Qx）为缺电子稠环中心核的Y系小分子受体的设计思路，以及这些设计对其光电性能、薄膜形态和器件性能的影响。尽管Y系小分子受体在聚合物太阳能电池中已取得显著成果，但未来仍需在主链工程、供体聚合物开发、能量损失削减、三元体系优化、机理探索以及添加剂设计等多个方面开展更深入的研究工作。通过多维度的协同优化，聚合物太阳能电池有望在不远的将来实现更高的转换效率，并逐步迈向商业化应用。

【通讯作者简介】

彭强教授简介：四川大学博士生导师，高分子材料工程国家重点实验室固定研究人员。长期从事光电能源材料与器件的研究工作，主要涉及有机高分子太阳能电池、电致发光材料与器件，碳基纳米能源材料与器件等。先后获得英国皇家化学会会士（2020），国家杰出青年基金（2018），教育部新世纪优秀人才支持计划（2009），四川省学术和技术带头人（2014），四川省杰出青年基金（2013）,江西省新世纪百千万人才工程（2009），江西省五四青年奖章（2009）。2022-2023年度科睿唯安全球高被引科学家，英国皇家化学学会2018-2023年度Top 1%中国高被引学者。担任Small Structure顾问编委（Editorial Advisory Board），Current Applied Materials编委（Section Editor），Chin. Chem. Lett.和Molecules编委，中国能源学会专家委员会综合专家组副主任，中国化工学会化工材料专业委员会专家委员，中国感光学会光电材料与器件分会专家委员。先后主持或参与国家重点研发计划、国家自然科学基金（集成项目、重点、面上、青年基金）、科技部国际合作项目、教育部新世纪优秀人才支持计划项目等30多项国家和省部级科研课题。

邓敏副教授简介：副教授，2022年毕业于四川大学化学工程学院有机化学专业，同年入选成都理工大学“珠峰引才计划”B类人才项目，就职于成都理工大学材料与化学化工学院，主要从事有机光伏材料与器件的研究工作。近年来已在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Interfaces等国际期刊发表SCI论文二十余篇。