太陽能電池是一種利用光伏效應將安全、綠色、可再生的太陽能轉換為電能的器件。有機太陽能電池具有成本低、質量輕、環境友好、可實現半透明、可采用卷對卷印刷制備大面積柔性器件等突出優點,在分布式光伏和“光伏+”應用方面前景廣闊,可助力實現國家“雙碳”戰略目標。有機太陽能電池的活性層一般由電子給體和電子受體材料組成。富勒烯是一類重要的碳基半導體材料,曾于1996年獲得諾貝爾化學獎,其重要應用之一是用作有機太陽能電池的電子受體,2015年以前一直占據主導地位。然而,其分子結構決定其存在一些難以克服的缺點,如合成和純化難、可見光吸收弱、能量損失大、形貌穩定性差,其器件效率已觸碰天花板,嚴重制約了有機太陽能電池的可持續發展和產業化進程,整個領域因電子受體材料這塊短板遭遇發展瓶頸。因此,發展高性能的新型受體材料是該領域的關鍵科學問題和挑戰性難題。
北京大學材料科學與工程學院占肖衛課題組長期致力于有機太陽能電池非富勒烯受體材料的研究。占肖衛團隊是國際上最早從事非富勒烯受體研究的課題組之一。2006年,他們率先在國內開展了非富勒烯受體的研究,報道了世界上第一個基于芳香稠環酰亞胺的高分子受體(J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 7246,被引1150余次,來自Google Scholar)。經過近十年堅持不懈的探索,他們于2015年創制了“明星分子”ITIC(Adv. Mater., 2015, 27, 1170,被引2790余次),并原創性地提出了稠環電子受體(Fused-Ring Electron Acceptor,縮寫FREA,又稱稠環受體Fused-Ring Acceptor,縮寫FRA)的概念。稠環電子受體使有機太陽能電池的效率實現了飛躍,現已超過20%,遠優于富勒烯體系(12%)。稠環電子受體解決了富勒烯等經典受體不能解決的核心科學問題,突破了領域瓶頸,顛覆了傳統的富勒烯體系,開啟了領域的“非富勒烯時代”。稠環電子受體吸引了來自20余個國家的350余個研究組的廣泛關注和競相跟進,現已被廣泛應用于可再生能源(如有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、量子點太陽能電池和光解水制氫)、信息技術(如場效應晶體管、光電探測器、發光二極管和非線性光學)和生命健康(如光熱診療和光動力診療)等諸多領域。國內外同行用里程碑、劃時代、變革性、開創性、先驅性、重要突破、明星分子等高度評價稠環電子受體。
最近,占肖衛團隊在《自然綜述化學》發表了題為“The principles, design and applicationsof fused-ring electron acceptors”的邀請綜述(Nat. Rev. Chem., 2022, DOI:10.1038/s41570-022-00409-2),系統總結了稠環電子受體的基本科學原理、分子設計策略和功能應用,并指出了領域目前面臨的挑戰和未來的發展方向。這篇綜述是《自然綜述化學》上發表的第一篇有機太陽能電池的論文。迄今為止,《自然》子刊一共發表了5篇以非富勒烯受體為主題的綜述,其中占肖衛為獨立通訊作者的論文2篇(Nat. Rev. Mater., 2018, 3, 18003,被引1830余次;Nat. Rev. Chem., 2022, DOI:10.1038/s41570-022-00409-2),為共同通訊作者的論文1篇(Nat. Photon., 2018, 12, 131-142,被引1270余次)。
稠環電子受體的應用示意圖
占肖衛課題組王嘉宇博士是這篇論文的第一作者,占肖衛是通訊作者。該工作得到國家自然科學基金委等的資助。
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