綜述背景
低成本高性能有機(jī)光伏（OPV）材料的開(kāi)發(fā)是當(dāng)前OPV領(lǐng)域研究的主要方向，因?yàn)槟壳跋冗M(jìn)的OPV電池材料的成本過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
在分析當(dāng)前的OPV材料時(shí)，包括高分子電子供體和小分子電子受體，獲得高光伏性能的主要前提條件，包括光電和形態(tài)學(xué)特性，已經(jīng)比較清晰。然而，由更簡(jiǎn)單的構(gòu)建單元組成、化學(xué)取代位置較少的低成本材料，在同時(shí)獲得理想的光電和形態(tài)學(xué)特性方面面臨挑戰(zhàn)。
鑒于此，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所張少青，侯劍輝等合作在“Nature Reviews Materials”期刊上發(fā)表了題為“Molecular design for low-cost organic photovoltaic materials”的最新綜述論文。該團(tuán)隊(duì)首先總結(jié)了高性能OPV材料分子設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨后，討論了在低成本材料分子設(shè)計(jì)中的研究進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)。最后，作者概述了未來(lái)低成本OPV材料分子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵思路與見(jiàn)解，重點(diǎn)關(guān)注效率和穩(wěn)定性。
綜述亮點(diǎn)
1.綜述首次總結(jié)了高性能有機(jī)光伏（OPV）材料分子設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，闡明了光電特性和形態(tài)學(xué)特性對(duì)提高光伏性能的必要性。
2.文章通過(guò)討論低成本OPV材料的分子設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，指出盡管低成本材料通常具有更簡(jiǎn)單的分子結(jié)構(gòu)，但同時(shí)要滿足高光電性能和優(yōu)異的形態(tài)學(xué)特性仍面臨巨大難題。
3.綜述進(jìn)一步分析了OPV材料從高分子供體到小分子受體的演變，并探討了這一過(guò)程中分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化如何導(dǎo)致材料成本的增加，影響了其工業(yè)化應(yīng)用的可行性。
4.文章還總結(jié)了降低材料成本的兩種主要途徑：通過(guò)優(yōu)化現(xiàn)有材料的合成工藝來(lái)降低成本，或通過(guò)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單的分子結(jié)構(gòu)來(lái)研發(fā)新材料。
5.最后，文章展望了未來(lái)低成本、高性能OPV材料的分子設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)關(guān)注提高效率和穩(wěn)定性的同時(shí)降低生產(chǎn)成本，為未來(lái)的光伏技術(shù)應(yīng)用提供了新的研究方向。
圖文解讀
圖1:苯并[1,2-b:4,5-b′]二噻吩(benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene，BDT-聚合物供體的分子結(jié)構(gòu)和聚集效應(yīng)。
圖2:小分子受體的分子結(jié)構(gòu)和特征。
圖3:低成本聚合物供體材料的分子結(jié)構(gòu)。
圖4:非融合受體的分子結(jié)構(gòu)。
圖5:有機(jī)光伏材料中，常用結(jié)構(gòu)單元的純材料成本計(jì)算結(jié)果。
圖6:典型的有機(jī)光伏材料和本體異質(zhì)結(jié)層的純材料成本計(jì)算結(jié)果。
結(jié)論展望
基于低成本OPV材料的發(fā)展過(guò)程和當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，本研究提出了對(duì)低成本光伏材料分子設(shè)計(jì)未來(lái)方向的見(jiàn)解。首先，無(wú)論是高分子供體還是小分子受體，構(gòu)建具有簡(jiǎn)單共軛單元的分子是實(shí)現(xiàn)成本降低的主要途徑之一。因此，一個(gè)重要的突破將是實(shí)現(xiàn)納米級(jí)相分離和高度有序的分子聚集，同時(shí)保持穩(wěn)定的分子構(gòu)象。巧妙利用化學(xué)功能基團(tuán)的空間位阻、溶劑效應(yīng)和構(gòu)象鎖定能力將為分子設(shè)計(jì)提供機(jī)會(huì)。其次，應(yīng)更加注重使用廉價(jià)的融合共軛結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建分子。目前，融合結(jié)構(gòu)在OPV材料分子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用尚未得到系統(tǒng)性探索，未來(lái)值得加大研究投資。最后，在低成本材料的分子設(shè)計(jì)中，必須避免使用那些看似簡(jiǎn)單但合成成本高的結(jié)構(gòu)單元。
此外，為了促進(jìn)這些低成本材料從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化的應(yīng)用，還需要考慮一些附加問(wèn)題。首先，這些材料應(yīng)能在百克甚至千克級(jí)別的規(guī)模上容易制備，確保能夠滿足大規(guī)模印刷應(yīng)用的要求。其次，需要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)研究。較高的扭轉(zhuǎn)自由度導(dǎo)致較低的構(gòu)象穩(wěn)定性，目前尚不清楚這是否進(jìn)一步影響形態(tài)和器件穩(wěn)定性。因此，內(nèi)在穩(wěn)定性、形態(tài)穩(wěn)定性和器件穩(wěn)定性需要系統(tǒng)地研究，而目前這方面的研究尚顯不足。第三，在高性能OPV材料的發(fā)展中，材料合成、器件表征和穩(wěn)定性研究消耗了大量的時(shí)間和資源。機(jī)器學(xué)習(xí)在OPV領(lǐng)域尚未得到廣泛應(yīng)用，但可以用來(lái)篩選現(xiàn)有材料結(jié)構(gòu)，從而指導(dǎo)新型低成本高效率材料的合成。這一策略將有助于加速OPV技術(shù)的發(fā)展。
總之，盡管低成本材料的光伏性能最初較為平凡，但隨著關(guān)注度的增加和多種分子設(shè)計(jì)策略的應(yīng)用，已取得了重要進(jìn)展。低成本材料的開(kāi)發(fā)充滿挑戰(zhàn)，但也帶來(lái)了巨大的機(jī)會(huì)。作者預(yù)計(jì)，在未來(lái)幾年，OPV材料將滿足高效率、低成本和高穩(wěn)定性的需求，從而推動(dòng)OPV技術(shù)的工業(yè)化。
原文詳情：
Yang, N., Zhang, S., Cui, Y. et al. Molecular design for low-cost organic photovoltaic materials. Nat Rev Mater (2025).
https://doi.org/10.1038/s41578-025-00792-4
