有機太陽能電池因質量輕，半透明和柔性等特有的優勢，在光伏建筑一體化、光伏農業、萬物互聯等領域展現出廣闊的應用前景。近年來，得益于新型光伏材料的開發和器件制備技術的優化，有機太陽能電池器件的光電轉換效率已超過19%。然而，有機光伏領域的明星受體材料通常具有大π的共軛體系，該類單元的采用勢必增加合成難度及成本，進而影響其商業化應用。目前，結構簡單的完全非稠環電子受體材料有望將高性能與低成本合二為一，但仍缺乏詳細的分子結構-光伏性能的構效關系研究。
宋金生教授研究團隊以寡聚噻吩為切入點，針對非稠環共軛長度、修飾基團等問題，通過單鍵相連構筑了三、四聯噻吩骨架，報道了系列完全非稠環電子受體（FNEAs）（Adv. Funct. Mater.,2021,31, 2101742，J. Mater. Chem. A,2023,11, 7498-7504），其中4T-3分子展現了優異的光伏性能-成本效益品質因子。然而，其扭曲的分子骨架、多重的分子構象嚴重制約了分子間高效電荷通道的構筑，致使短路電流密度（JSC）較低。因此，消除單鍵自由旋轉的固有屬性、實現單一的分子構象是構筑有效電荷傳輸通道和發展高性能FNEAs的關鍵途徑。針對上述問題，研究團隊提出了一種共價大環包裹的精準構筑策略，用于FNEAs材料的設計，合成了R4T-1受體分子。單晶結構顯示，共價包裹環可以完美地覆蓋分子中心骨架，限制單鍵自由旋轉、實現骨架的平面化、獲得穩定的單一分子構象。本文所設計的簡單四聯噻吩（4T）的環包裹策略即可獲得與復雜多元稠環在可見-近紅外區域相當的吸收、緊密有序的分子堆積，最終實現光電轉換效率突破15%的有機光伏器件。其中，器件的JSC達到了25.48 mA/cm2，為目前已報道的FNEAs材料中的最高值。“大環包裹”的分子設計策略不僅獲得了性能優異的FNEAs材料，同時也為FNEAs深入而系統的研究提供了理想且精準的分子研究模型，更為重要的是該策略將會助力有機光伏材料的簡單化、實用化，從而走向實際應用（Angew. Chem. Int. Ed.2023, e202316495）。納米科學與工程研究院博士研究生申帥帥、2019級碩士研究生米雨為論文第一作者，宋金生教授為論文的通訊作者。本工作得到了國家自然科學基金、河南省杰出青年基金、中原千人計劃、河南省高校基礎研究計劃重點科研專項、河南大學黃河學者啟動經費等項目大力支持。團隊簡況：宋金生教授自2012年入職河南大學以來，先后主持獲批國家自然科學基金4項，獲得河南省杰出青年基金，河南省高層次人才特殊支持計劃“中原青年拔尖人才”，“黃河學者”，河南省教育廳學術技術帶頭人，河南省青年骨干教師，河南省高層次人才，河南省青少年科技教育精準服務試點專家等榮譽稱號。目前，主要從事新型有機共軛材料、有機太陽能電池、柔性電子器件、共軛高分子化學等方面的研究工作，在J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等期刊發表SCI論文60余篇，獲批專利3項，受邀與國內外學者合著太陽能電池領域著作1部。論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202316495
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