两次工业革命以来,煤、石油和天然气等化石能源的广泛使用在促进生产力发展的同时,也带来了温室效应和大气污染等环境问题。此外,不可再生的化石燃料也无法满足日益增长的能源需求。因此,开发新型清洁可再生能源是未来社会发展的必然要求。太阳能取之不尽,用之不竭,是一种理想的绿色能源,利用光伏效应将太阳能转换为电能的装置就是太阳能电池。传统太阳能电池的光活性层通常为无机半导体材料,如硅和砷化镓等,其制备和纯化过程能耗高,制备过程污染大,加工工艺复杂,价格比较昂贵,因此需要开发新型太阳能电池以解决这些问题。有机太阳能电池的光活性层为有机半导体材料,具有成本低、质量轻、便携、半透明以及可采用卷对卷印刷制备大面积柔性器件等突出优点,在光伏建筑一体化、智能玻璃和便携式电子设备等方面应用前景广阔。

构成光活性层的电子给体与电子受体是有机太阳能电池中的关键材料。研究的核心目标是提升光电转换效率,而提高效率的关键是研发高性能的给体与受体材料。长期以来,电子受体的研究严重滞后于电子给体,而电子受体的研究主要集中在富勒烯衍生物。1995年以来,富勒烯衍生物长期占据着电子受体材料的主导地位,对于富勒烯以外的受体的探索很少,且常以失败告终。然而,分子结构决定了富勒烯受体存在难以克服的缺点,如：（1）分子结构裁剪难,多取代和异构体的存在导致合成和纯化难,成本高;（2）可见光区吸收弱,红外区几乎无吸收,对光电流的贡献很小;（3）电子能级不易通过化学修饰来调制,分子最低空轨道（LUMO）能级低,开路电压损失大;（4）球形富勒烯分子光照下易二聚,加热下易结晶,影响活性层形貌的稳定性和器件寿命。富勒烯受体的诸多缺陷导致有机太阳能电池效率的提升和产业化遭遇瓶颈,严重制约了有机光伏领域的可持续发展。因此,发展高性能的受体材料是本领域亟待解决的关键科学问题和挑战性难题。

虽然早在1986年美国柯达公司的邓青云（C. W. Tang）利用苝酰亚胺小分子衍生物作为受体材料制备了世界上第一个平面异质结有机太阳能电池,效率接近1%,但是此后20余年基于非富勒烯受体的太阳能电池的效率一直停滞不前。在早期研究中,富勒烯受体因器件效率高而备受关注,而非富勒烯受体因效率太低被严重忽视,国际上从事非富勒烯受体研究的团队寥寥无几,非富勒烯受体的研制工作也屈指可数。对新型非富勒烯受体材料的探索极具挑战性。

我们课题组在2007年率先开展了苝酰亚胺聚合物受体的探索研究（J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 7246-7247）,引领了这类受体材料的发展。在前期积累基础上,经过多年坚持不懈的探索,于2015年发明了明星分子ITIC（Adv. Mater., 2015, 27, 1170-1174）。ITIC（图1）分子中并二噻吩并引达省（IDTT）给电子稠环核具有刚性的大共轭共平面结构,其强的π-π相互作用有利于分子间的堆积,从而提高载流子迁移率。在IDTT两端引入二氰基茚酮强拉电子单元,降低分子的LUMO能级,实现受体功能。强给电子核和强拉电子端基间有强分子内电荷转移,从而拓宽吸收光谱。IDTT环戊二烯单元上sp³杂化的碳连接2个对己基苯基,侧链与稠环骨架有一定的二面角,能够有效抑制受体分子间的过度自聚集,改善给体与受体间的相容性,实现合适的相分离。ITIC在500~800 nm区域有强吸收,摩尔消光系数高达1.3×10⁵ M^-1 cm^-1（图1）,比富勒烯受体PCBM（图1）高2个数量级,有利于提高器件光电流。以ITIC为受体、聚合物PTB7-Th为给体的太阳能电池效率达6.8%,高于PCBM对比器件的效率,是当时非富勒烯有机太阳能电池的最高效率。

在此基础上,我们在国际上率先提出了稠环电子受体（Fused-Ring Electron Acceptor,缩写FREA）的概念。稠环电子受体的化学结构特征在于：由给电子稠环核、拉电子端基、π桥和侧链等模块构成,模块化分子设计使其化学结构易裁剪和易规模化制备。稠环电子受体的物理性质特征在于：光吸收和电子能级调制范围宽,使其对各种高性能电子给体具有普适性;吸收强,特别是在700~1000 nm区域有极强吸收,有利于获得高光电流;电子迁移率高,有利于获得高填充因子。稠环电子受体的器件性能特征在于：能量损失小,有利于获得高开路电压;光电转换效率高,大大超越富勒烯和其他受体体系;光、热、形貌稳定性好,有利于实现长寿命。通过稠环核工程、端基工程、桥连工程和侧链工程可实现对稠环电子受体的分子构型、结晶性、电子能级、光吸收和电子迁移率的有效调制。以ITIC为代表的稠环电子受体这一电子受体新体系,解决了以富勒烯为代表的传统电子受体体系无法解决的关键科学问题,颠覆了经典的富勒烯体系,引领有机光伏迈向非富勒烯时代。近5年来,因稠环电子受体的发明,有机太阳能电池的效率实现了历史性突破,现已超过18%。

与富勒烯受体相比,稠环电子受体激子束缚能小、器件能量损失小是其性能优异的两个重要原因。在基于富勒烯受体的器件中,给受体的最高占据轨道（HOMO）能级差和LUMO能级差通常要大于0.3 eV以提供足够的驱动力（通常为0.2~0.7 eV）使激子解离;而在基于稠环电子受体的器件中,给受体之间的HOMO或LUMO能级差可以为零,驱动力小于0.1 eV时仍可以保证高效的激子解离。基于富勒烯受体的器件的能量损失通常大于0.7 eV,而基于稠环电子受体的器件的能量损失可以小于0.5 eV,一个可能的原因是稠环电子受体刚性共平面的分子骨架有利于降低能量无序度,从而减小能量损失。

在稠环电子受体中,我们还发现了有别于富勒烯受体的新的光物理机制：（1）稠环电子受体具有高的激子扩散系数,比富勒烯受体PCBM高2个数量级,高的激子扩散系数有利于激子扩散;（2）激发稠环电子受体可高效产生载流子,从而显著提高器件光电流,而富勒烯受体对光电流贡献小;（3）稠环电子受体的载流子产生比PCBM慢1个数量级,有利于抑制复合;（4）稠环电子受体不存在载流子复合生成三线态激子的过程,而PCBM存在,这一额外的载流子复合通道限制了富勒烯器件的效率。这些新的光物理机制均有利于提高稠环电子受体器件的光电转换效率。

有机太阳能电池轻、薄、柔的特性使其有望作为便携式充电装置进入移动设备、可穿戴电子产品及野外装备等市场,产品可以集成到汽车、半透明玻璃窗装饰、发电式建筑和温室大棚等。具有强近红外吸收的稠环电子受体,可以利用红外光发电而使可见光透过,同时实现高光电转换效率和高可见光透过率,特别适合于制备半透明光伏器件。半透明有机太阳能电池与普通玻璃窗结合后,既可以起到窗帘减光隔热的作用,又可以获取清洁的电能,因此有望成为新一代环保储能型建筑材料,用于光伏建筑一体化市场,年发电量预计可达数千亿度,市场前景非常广阔,经济和社会效益巨大。基于强可见光吸收的稠环电子受体的室内光伏器件,其效率可达30%以上,远高于晶硅电池,可用于物联网,如自供电传感器等,市场前景也十分广阔。已有研究初步证明有机太阳能电池在太空中也可以工作,目前航天器上广泛使用的无机太阳能电池的质量功率密度约为3 W g^-1,而有机太阳能电池的质量功率密度可达10 W g^-1,若用作航天器的能源,可减轻电池板的重量。

除有机太阳能电池外,稠环电子受体还可应用于能源、光子学、电子学和医学等其他领域（图2）。稠环电子受体可以用作钙钛矿太阳能电池的界面修饰层和电子传输层,甚至与钙钛矿材料共同形成光活性层。稠环电子受体中的氮、氧、硫等杂原子含有孤对电子,可以作为路易斯碱与钙钛矿中未饱和配位的铅原子形成路易斯酸碱加合物,从而钝化缺陷,结合稠环电子受体本身优异的电子传输性质,可以实现器件光电转换效率和稳定性的同步提高。稠环电子受体还用于量子点太阳能电池,可以提高器件效率和稳定性。将基于稠环电子受体的有机太阳能电池与光化学电池集成,可用于光解水。稠环电子受体在可见和近红外光区吸收强,可用于制备高灵敏度、高响应速度的光电探测器,并实现高质量的可见-近红外区实时成像。基于稠环电子受体制备的有机场效应晶体管,电子迁移率可达1 cm² V^-1 s^-1。稠环电子受体还具有双光子吸收性质,在红外区的非简并双光子吸收截面可达2.7×10⁴ GM。稠环电子受体近红外吸收强且光稳定性好,可用于肿瘤光热治疗,光热转换效率可达82%。

稠环电子受体引起了国内外同行的高度关注和广泛跟进,国内外150多个研究组使用稠环电子受体。稠环电子受体的出现推动了非富勒烯有机太阳能电池领域的蓬勃发展。2015年以来,非富勒烯有机太阳能电池已成为化学与材料领域的研究热点之一,无论是论文发表数还是引用数均快速增长（图3）。2019年,非富勒烯有机太阳能电池相关研究的论文数和引用数分别突破800篇和32 000次。稠环电子受体是完全由我国科学家原创并拥有自主知识产权的新材料体系,这一中国品牌现已成为我国科学家引领、多国科学家竞相跟进的新领域。

为了实现稠环电子受体的产业化,需要从材料和应用两方面协同创新。材料方面,目前的研究主要集中于新材料的开发,对放大工艺、低成本制备、重复性和纯度控制等方面的研究较少。应用方面,应加强产学研协同创新创业及成果转化,加强面向产业化的研究。以有机太阳能电池为例,我国科学家在材料研究方面走在世界前列,拥有大量自主知识产权的材料体系,这是我们的优势;但针对大面积制备工艺、材料和器件寿命研究较少,大面积有机太阳能电池器件加工所需的柔性电极衬底、高精度卷对卷加工设备等严重依赖进口,这大大限制了国内有机光伏产业化的进程,增加了产业化成本。因此,在未来有机光伏商业化的国际竞争中,只有我国真正掌握材料、器件制备、生产设备、集成加工等核心技术并高度国产化,建立健全的有机光伏产业链,方能不受制于人,在未来占据有机光伏产业制高点,为实现“中国制造2025”提供相关科学与技术支撑。