科學家合成非富勒烯受體小分子，造出新型有機太陽能電池，已成立公司專攻國產OLED材料

近日，來自寧波諾丁漢大學和西北工業大學寧波研究院的研究人員研發出一種有機太陽能電池，實現了 13.99% 的能量轉換效率，開路電壓為 0.97eV，短路電流為 23.14mAcm-2。日前，相關論文發表於 ACS Materials Letters。

值得注意的是，西北工業大學寧波研究院柔性電子技術研究中心責任教授、寧波盧米藍新材料有限公司（下稱「盧米藍」）董事長陳誌寬是論文共同作者之一。

的確，這是一個應用性較強的成果。那麼，關於有機太陽能電池的研究已經有很多，他們又是基於怎樣的原因開展了本次研究？

不斷打破效率瓶頸，持續抑制能量損失

如今，新材料創新是全球科研人員關注的重點。其中，有機太陽能電池引起了相當大的關注。

得益於稠環電子受體的快速發展，單結器件的能量轉換效率已經達到 19%。除提高轉換效率以外，抑制能量損失也可進一步打破效率瓶頸，是一類富有前景的構建高效有機太陽能電池的方法。

根據肖克利-奎伊瑟極限（SQ，Shockley-Quisser）可知，有機太陽能電池中的能量損失通常由三個部分組成：能量損失 Eloss=ΔECT+ΔErad+ΔEnonrad。其中，ΔErad 對於有機太陽能電池而言是不可避免的，ΔECT 表示實現有效電荷轉移的驅動力，ΔEnonrad 表示由非輻射重組引起的非輻射能量損失。

在這三個部分中，要想降低 ΔECT 和 ΔEnonrad，可以分別通過最小化驅動力和減少能量無序來實現。

在傳統觀點中，最高佔據分子軌道的能量偏移，被認為是激子解離和抑制雙子復合的驅動能量。

一些具有偽最高佔據分子軌道電位的二元器件，會因為電荷分離不足，而受到低填充因子和短路電流的影響。

此前研究發現：當 PTBTP 衍生物和 INPIC 衍生物的能量水平升高時，會導致能量損失降低。

但是，電荷分離的驅動力不足，限制了光伏的性能。通過精細修改結構的方法可以改變能級，進而讓 PTB湯臣 衍生物和 IPT 衍生物實現足夠的激子解離，從而改善對應器件的短路電流和低填充因子。

近年來，學界認為當將能量偏移進行最小化時，可以在不危及電荷分離和不考慮電流-電壓權衡的情況下降低驅動力。

在驅動能量足夠的前提之下，將能量偏移進行最小化確實可以有效降低 ΔECT，但是它會對稠環電子受體的能級產生負面影響。

除了降低驅動力外，減少有機太陽能電池中的能量無序度，已被證明能夠有效抑制 ΔEnonrad。

一般來說，人們通過光活性層的 Urbach 能量（EU，Urbach energy）來針對能量無序進行評估。

由於無序的分子堆積，共混薄膜中會存在意想不到的無序靜態能量，通常表現為較高的 Urbach 能量和較大的 ΔEnonrad。

在該團隊的前期工作中，他們發現新型異構化 TPB湯臣-4F/4Cl 表現出更大的晶體相干長度，這表明當分子堆疊更加有序時，能量無序就會相應減少。

要想打造具有低能量損失特點的有機太陽能電池，就得設計低能無序稠環電子受體。但是，此前人們對於這類受體的研究得還不夠系統和徹底。

在受體設計上，骨架工程策略是一種常用方法，但是它的合成路線比較複雜，工業品質因數也比較低。

而側鏈工程策略，則是一種便捷的通過改變分子結構來優化器件性能的方法。即通過策略性地修飾受體的側鏈，調節稠環電子受體的固有屬性，比如調節能級和聚集行為，從而影響能量偏移和靜態能量無序情況。

在各種側鏈工程技術中，構象鎖已被廣泛用於構建旋轉異構體。構象鎖不僅有利於實現平面的、剛性的分子結構，且不會影響溶解度。

其中，平面分子結構便於形成緊密的分子間堆積和提高結晶度，從而穩定形貌並抑制各種降解機制。

剛性分子結構則有助於抵抗構象變化，從而能夠最大限度地減少能量無序，進而提高器件性能。

此前，人們通過在非富勒烯受體小分子 ITIC 和 IT-4F 的中心引入構象鎖，讓非富勒烯受體小分子 ITC6-IC 和 ITC6-4F 實現了最低未佔分子軌道能級的上移和高度的平面構型，從而增強了開路電壓。

然而，對於增強開路電壓和抑制 ΔEnonrad 來說，構象鎖到底能夠帶來怎樣的影響？人們尚不清楚。

設計併合成兩種新型非富勒烯受體小分子

基於上述背景，該課題組開展了本次研究。非富勒烯受體小分子 IT-4Cl 骨架具有更強的聚集性、更緊密的分子堆積性和更高的結晶性。

同時，IT-4Cl 的造價更加便宜，因此有望降低非富勒烯受體小分子的成本。同時，IT-4Cl 具有較低的工業品質因數，並對於鑄態設備製造具有較好的適應性，所以 IT-4Cl 骨架衍生物更有可能實現商業化。但是，IT-4Cl 的能級較低，這會造成驅動能量的浪費。

為此，該團隊通過引入構象鎖，並使用兩個延長的烷基鏈修飾分子來避免過度聚集，進而在 IT-4Cl 骨架的基礎之上，通過側鏈工程策略設計併合成了兩種新型非富勒烯受體小分子，課題組將它們分別命名為 IMC6-4Cl 和 IMC8-4Cl。其發現，IMC6-4Cl 和 IMC8-4Cl 表現出能級升高和吸收紅移的特點。

而由於它們的分子內表面靜電勢差異較小，堆積也更加有序，從而能夠降低能量無序，進而讓 ΔEnonrad 得到了有效抑制。

通過核磁共振和飛行時間質譜，該團隊鑒定了中間體和最終產物的分子結構。由此發現，IMC6-4Cl 和 IMC8-4Cl 均表現出良好的分解溫度（359℃ 和 352℃）。

最終，基於 IMC8-4Cl 這一非富勒烯受體小分子，課題組製備出一種有機太陽能電池，實現了 13.99% 的功率轉換效率，開路電壓為 0.97eV，短路電流為 23.14mAcm-2。

寧波諾丁漢大學博士生朱錦濤是第一作者，寧波諾丁漢大學 Hainam Do 教授、西北工業大學寧波研究院 Fei Chen 擔任共同通訊作者，西北工業大學寧波研究院陳誌寬教授是共同作者之一。

圖 | 相關論文（來源：ACS Materials Letters）

30 多年材料研發積累，7 年創業實踐

如前所述，在本次論文的作者之中，陳誌寬不僅是一位學者，還是一位創業者。公開資料顯示，陳誌寬本碩博均畢業於北京大學，後在新加坡國立大學完成博士後研究。

1998 年，他開始在新加坡南洋理工大學和新加坡國立大學任職。2013 年，陳誌寬回國受聘為南京工業大學江蘇省特聘教授、南京工業大學新興產業發展研究院院長，兼任西北工業大學寧波研究院柔性電子技術研究中心責任教授。

2017 年，陳誌寬創辦盧米藍。2022 年，他帶領盧米藍團隊與一支院士團隊解決了 OLED（Organic Light-Emitting Diode，有機發光二極管顯示器）材料「卡脖子」難題。

目前，該公司具有自主知識產權的紅光主體材料實現量產，技術指標和產品質量達到國際一流水平，實現進口替代。

創辦盧米藍七年以來，陳誌寬同時耕耘於學術圈和創業圈。在創業的同時，他也非常樂意向校園學子傳遞創業心法。2023 年 10 月，他曾來到南京郵電大學開設企業家講座。

同時，這兩年他也參與了數篇論文的撰寫。而在 2024 年 10 月，盧米藍剛剛完成新一輪的融資，本輪融資由浙江文投集團旗下數文基金領投。

當前，隨著智能硬件市場的快速爆發，OLED 材料市場體量已超過 300 億元，中國也已成為全球最大的 OLED 面板生產國。

陳誌寬告訴媒體：「加上 OLED 在筆記本電腦、汽車等領域的快速發展，OLED 的市場體量有望超過 600 億元，這為我們快速發展留出了足夠大的空間。」目前，他正帶領公司加速研發 OLED 藍光材料和綠光材料等產品[2]。

1.Zhu, J., Lv, L., Dai, T., Pan, R., Wang, F., Yang, J., … & Chen, F. (2024). Side-Chain Engineering in ITIC Skeleton Enabling As-Cast Organic Solar Cells with Reduced Energy Loss and Improved Vertical Phase Distribution. ACS Materials Letters, 6(6), 2100-2110.

2.http://jxj.ningbo.gov.cn/art/2024/8/16/art_1229561617_58940208.html

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