有机太阳能电池作为非常有前途的下一代清洁能源技术之一，具有低成本、质轻、柔性和易于大面积制备等诸多优点，因此在便携式/可穿戴柔性设备、光伏建筑一体化等领域将具有广阔的应用前景。近年来，得益于对分子设计和器件工程的深入理解，有机太阳能电池的光电转换效率已突破19%，引起了包括学术界和产业界在内的广泛兴趣。然而，实现有机太阳能电池商业化应用所需的“黄金三角”（即效率-稳定性-成本平衡）仍然是一个巨大的挑战。
商业化“黄金三角”可拆分为两个关键部分：即（1）如何平衡效率和稳定性；（2）如何平衡效率和成本。2017年，李永舫院士团队提出“小分子受体高分子化”的概念，克服了传统聚合物受体宽带隙和低吸光系数的问题，使具有优良热/形貌稳定性的全聚合物太阳能电池光电转换效率快速提升至18%以上，为实现效率-稳定性平衡的有机太阳能电池铺平了道路。然而，以高性能稠环电子受体为聚合单体构建的聚合物受体在实现高效率的同时也面临着单体合成复杂、成本高的问题。近年来，具有简单共轭骨架、简洁合成路线和低成本的非稠环电子受体（NFREAs）受到了广泛关注，尤其是通过引入分子内非共价“构象锁”（NoCLs）或大位阻基团限制非稠环骨架中单键的旋转可以构建高平面性和高效率的受体材料，能量转换效率已经超过了16%。因此，非稠环电子受体被认为是实现效率-成本平衡的绝佳候选者。
最近，课题组以低成本的非稠环电子受体为基础，提出“聚非稠环电子受体（PNFREAs）”的设计思想（Sci. China Chem., 2022, 65, 926），综合了高稳定性的聚合物和低成本受体材料的优点，有望实现有机太阳能电池的效率-稳定性-成本平衡。目前，国内外研究人员围绕聚非稠环电子受体的分子设计和器件工程做出了一定的努力，但其光电转换效率仍有待进一步提升，更好地平衡有机太阳能电池商业化的“黄金三角”。
图1. 本工作为实现效率-稳定性-成本平衡有机太阳能电池所提出的受体材料演化示意图。
在本工作中，作者设计了一个新型聚非稠环受体材料PBF，并与对应小分子受体BF在热稳定性、光伏性能和工业品质因数（i-FOM）等方面做了系统的比较。相比之下，PBF具有更高的热分解温度，且DSC分析表明BF在224℃时存在吸热峰。同时在50-250℃范围内，聚合物受体PBF没有观察到明显的热转变信号，说明PBF具有更好的热稳定性。其次，PBF还表现出更强的光捕获能力和更紧密的分子间π-π堆积，这将有利于太阳光的收集并促进光伏器件中的电荷传输。
图2.（E）对应的一维线切割图（实线：面外方向，虚线：面内方向）
作者进一步以PBDB-T为给体，分别与两个受体材料共混制备有机光伏器件。PBDB-T:BF基器件获得了11.19%的光电转换效率，而PBDB-T:PBF的全聚合物太阳能电池器件表现出显著提高的效率（12.61%），创造了基于聚非稠环电子受体有机太阳能电池的最高效率。此外，作者还研究了基于BF和PBF有机太阳能电池的器件稳定性。在基于小分子受体BF的器件中观察到明显的效率衰减（800小时后衰减至初始效率的63.4%），而基于聚合物受体PBF的全聚合物太阳能电池表现出优异的器件稳定性（800小时后仅衰减至初始效率的95.2%）
图3. （A）J-V曲线图；（B）EQE曲线图；（C）器件稳定性
为了进一步评估有机太阳能电池的工业化潜力，作者基于效率-稳定性-成本的“黄金三角”进行了工业化品质因数（i-FOM）的矩阵分析。以各类代表性受体材料（包括稠环电子受体、聚稠环电子受体、非稠环电子受体和聚非稠环电子受体）为基础，计算了各种共混体系的i-FOM值。结果显示，稠环电子受体及其聚合衍生物深受高成本问题的困扰，而具有简单结构和简易合成优点的非稠环电子受体及其聚合衍生物则表现出更低的合成复杂度。值得注意的是，本工作开发的高效（12.61%）、稳定（95.2%）和低成本（SCAL = 38.9）聚合物受体PBF共混体系实现了0.309的i-FOM值，远高于PM6:Y6 (i-FOM = 0.192)和PBDB-T:PZ1 (i-FOM = 0.167)等代表性体系。
图4. （A）合成复杂度分析；（B）效率-稳定性-成本分析；（C）代表性体系的工业化品质因数与合成复杂度关系图
这项工作对有机太阳能电池的效率-稳定性-成本平衡问题提供了新的见解，同时也表明聚非稠环电子受体的开发将进一步促进有机太阳能电池的商业化应用。
以上研究论文以“Insight into the efficiency-stability-cost balanced organic solar cell based on a polymerized nonfused-ring electron acceptor”为题发表于Aggregate期刊，论文第一作者为课题组博士研究生古晓斌，共同第一作者为博士后魏亚男，通讯作者为中国科学院大学黄辉教授和张昕副教授。