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当前有机太阳能电池（OSCs）发展遇阻，合成复杂且贵金属催化剂成本高。研究人员开展无贵金属合成苝二酰亚胺（PDI）基非富勒烯受体（NFAs）研究，合成了 NAJ-3 等 3 种 NFAs，其中 NAJ-3 光伏性能最佳，为绿色合成光伏材料提供新路径。
在科技飞速发展的当下，太阳能作为一种清洁、可再生能源，备受瞩目。有机太阳能电池（OSCs）凭借着独特优势，如分子结构和吸收光谱可调节、成本低、柔韧性好等，在可穿戴电子设备、建筑一体化光伏、物联网等领域展现出巨大的应用潜力。近年来，OSCs 的功率转换效率（PCE）取得了显著突破，成功跨越 20% 的大关。然而，在这看似光鲜的成绩背后，却隐藏着诸多棘手的问题。
为了追求更高的转换效率，研发出的一些破纪录的光伏材料，尤其是非富勒烯受体（NFAs），合成过程极为复杂。这些材料往往包含通过冗长合成路线制备的稠环结构单元，总产率较低，这无疑大幅增加了生产成本。不仅如此，在构建碳 - 碳（C - C）键的过程中，贵金属催化剂几乎不可或缺，像常用的 Stille、Suzuki - Mayier、Sonogashira 反应或直接（杂）芳基化反应，都依赖于昂贵的钯催化剂。这些催化剂不仅价格高昂，难以从产物中完全去除，而且残留的催化剂还会对光伏性能产生负面影响。此外，有机锡试剂在有机光伏材料合成中的广泛应用，也引发了人们对商业规模生产有机半导体时的毒性和安全性的担忧。
在这样的背景下，为了攻克这些难题，推动有机太阳能电池领域的可持续发展，相关研究人员积极探索新的解决方案。此次研究聚焦于开发一种全新的、无贵金属参与的合成策略，旨在构建一系列基于苝二酰亚胺（PDI）的非富勒烯受体（NFAs）。PDI 作为一种商业化可得的染料，因其在可见光区域有强吸收、具备良好的电子传输能力、出色的光氧化和热氧化稳定性以及化学稳定性，在构建 NFAs 方面具有极大的潜力。但此前报道的醚键联 PDI NFAs，在合成过程中要么依赖贵金属催化剂形成 C - C 键，要么依靠需贵金属催化剂的 PDI 邻位选择性官能化，尚无无贵金属催化剂合成醚键联 PDI 低聚物并用作高效 NFAs 的相关报道。
此次研究成果发表在《Dyes and Pigments》上。研究人员通过巧妙设计，成功合成了三种基于 PDI 的非富勒烯受体，分别为 NAJ - 3、NAJ - 2 - m 和 NAJ - 2 - p。他们采用的关键技术方法是在无贵金属催化剂的条件下，利用单溴代 PDI 与酚衍生物之间的直接威廉姆森（Williamson）偶联反应来合成醚键联 PDI 低聚物，其化学结构通过核磁共振光谱（NMR spectroscopy）和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MS（MALDI - TOF））得以确认。
合成与表征
研究人员通过直接 Williamson 耦合反应成功合成了 NAJ - 3、NAJ - 2 - m 和 NAJ - 2 - P，该反应无需贵金属催化剂，且合成的这些非富勒烯受体在常见溶剂（如氯仿）中具有良好的溶解性，其化学结构也经 NMR 光谱和 MS（MALDI - TOF）确认。
结论
研究合成的三种 NFAs 是通过 Williamson 耦合反应形成醚键，将 PDI 单元与一个苯核相连，且未使用贵金属催化剂。其中，NAJ - 3 呈现出三维（3D）互锁的螺旋桨几何形状，这种独特结构有效抑制了 PDI 单元之间过度的旋转自由度和严重的聚集现象。基于 NAJ - 3 的有机太阳能电池展现出 4.76% 的功率转换效率，性能优于另外两种 NFAs。
这项研究意义重大。它成功开发出一种经济高效的无贵金属催化剂合成路线，为基于 PDI 的 NFAs 的规模化生产提供了可能，有力推动了有机光伏材料的绿色合成进程。同时，该研究也凸显了分子设计在开发高性能 PDI 基有机光伏受体中的关键作用，为后续相关领域的研究提供了新的思路和方向，有望在未来进一步提高有机太阳能电池的性能，促进有机太阳能电池在更多领域的广泛应用。
