骨架非稠合的非富勒烯受體

占肖衛

北京大學工學院材料科學與工程系，北京 100871

相對于富勒烯類電子受體，新型非富勒烯受體具有吸光能力強，能級和結構可調等優點，對于提升有機太陽電池光電轉換效率具有重要意義。近年，基于稠環結構的電子受體(FREAs)受到了國內外研究者們最多的關注1,2。這一類分子具有良好的骨架平面性，高度離域的電子結構和強聚集傾向的末端基團有利于分子間的π-π堆積和電荷轉移。另外，基于FREAs體系的有機太陽電池能量損失也可以低至0.4-0.5 eV3。基于以上稠環結構的設計策略，科研人員設計并合成了許多稠環電子受體，所制備的有機太陽電池器件效率突破了 14%4。

然而，我們注意到FREAs骨架通過化學鍵聯稠合，往往需要涉及多步的化學反應，合成成本偏高。并且目前各個課題組的研究方向更是在分子結構中并入了更多的芳環或者使用更復雜的稠環結構，其合成的難度還會成倍增大5,6。隨著電池效率的不斷提高，簡化分子結構，降低合成成本對實現有機太陽電池的規模應用具有重要的應用價值。浙江大學陳紅征教授研究團隊嘗試簡化FREAs的結構，提出采用非稠合環核作為構筑單元，利用分子內氫鍵構筑非富勒烯受體，成功制備了效率超過11%的有機太陽電池7,8，但其化學結構中仍包含了復雜的稠環結構。如何使用巧妙的化學設計來避免復雜的稠環結構的使用，簡化合成步驟，并且保留FREAs的優勢，值得進一步研究。最近，該團隊進一步設計了一種結構簡單的骨架非稠合的電子受體分子(ICTP)，中心骨架僅有一個苯環和兩個噻吩環；同時利用該團隊之前掌握的碳氫活化技術9，簡單高效地合成了目標產物，并成功將其應用到了有機太陽電池中。

該工作已在物理化學學報上在線發表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201805091)10。該工作設計并合成了一種骨架非稠合的電子受體ICTP，利用非共價作用力保持了分子的平面性，實現了與FREAs類似的光電性質。ICTP結構簡單，整個合成通過碳氫鍵活化直接芳基化偶聯反應，僅需3步就可完成，且每步的反應產率均在70%以上。ICTP的吸收光譜和能級結構特性使得其能夠與許多高效的中等帶隙聚合物給體搭配制備聚合物太陽電池。該工作為未來高性能低成本非富勒烯受體分子的結構設計和合成提供了新的設計思路和重要的參考價值。