科学家合成非富勒烯受体小分子，已成立公司专攻国产OLED材料

近日，来自宁波诺丁汉大学和西北工业大学宁波研究院的研究人员研发出一种有机太阳能电池，实现了 13.99% 的能量转换效率，开路电压为 0.97eV，短路电流为 23.14mAcm-2。日前，相关论文发表于 ACS Materials Letters。

（来源：ACS Materials Letters）

值得注意的是，西北工业大学宁波研究院柔性电子技术研究中心责任教授、宁波卢米蓝新材料有限公司（下称“卢米蓝”）董事长陈志宽是论文共同作者之一。

的确，这是一个应用性较强的成果。那么，关于有机太阳能电池的研究已经有很多，他们又是基于怎样的原因开展了本次研究？

不断打破效率瓶颈，持续抑制能量损失

如今，新材料创新是全球科研人员关注的重点。其中，有机太阳能电池引起了相当大的关注。

得益于稠环电子受体的快速发展，单结器件的能量转换效率已经达到 19%。除提高转换效率以外，抑制能量损失也可进一步打破效率瓶颈，是一类富有前景的构建高效有机太阳能电池的方法。

根据肖克利-奎伊瑟极限（SQ，Shockley-Quisser）可知，有机太阳能电池中的能量损失通常由三个部分组成：能量损失 Eloss=ΔECT+ΔErad+ΔEnonrad。其中，ΔErad 对于有机太阳能电池而言是不可避免的，ΔECT 表示实现有效电荷转移的驱动力，ΔEnonrad 表示由非辐射重组引起的非辐射能量损失。

在这三个部分中，要想降低 ΔECT 和 ΔEnonrad，可以分别通过最小化驱动力和减少能量无序来实现。

在传统观点中，最高占据分子轨道的能量偏移，被认为是激子解离和抑制双子复合的驱动能量。

一些具有伪最高占据分子轨道电位的二元器件，会因为电荷分离不足，而受到低填充因子和短路电流的影响。

此前研究发现：当 PTBTP 衍生物和 INPIC 衍生物的能量水平升高时，会导致能量损失降低。

但是，电荷分离的驱动力不足，限制了光伏的性能。通过精细修改结构的方法可以改变能级，进而让 PTBTT 衍生物和 IPT 衍生物实现足够的激子解离，从而改善对应器件的短路电流和低填充因子。

近年来，学界认为当将能量偏移进行最小化时，可以在不危及电荷分离和不考虑电流-电压权衡的情况下降低驱动力。

在驱动能量足够的前提之下，将能量偏移进行最小化确实可以有效降低 ΔECT，但是它会对稠环电子受体的能级产生负面影响。

除了降低驱动力外，减少有机太阳能电池中的能量无序度，已被证明能够有效抑制 ΔEnonrad。

一般来说，人们通过光活性层的 Urbach 能量（EU，Urbach energy）来针对能量无序进行评估。

由于无序的分子堆积，共混薄膜中会存在意想不到的无序静态能量，通常表现为较高的 Urbach 能量和较大的 ΔEnonrad。

（来源：ACS Materials Letters）

在该团队的前期工作中，他们发现新型异构化 TPBTT-4F/4Cl 表现出更大的晶体相干长度，这表明当分子堆叠更加有序时，能量无序就会相应减少。

要想打造具有低能量损失特点的有机太阳能电池，就得设计低能无序稠环电子受体。但是，此前人们对于这类受体的研究得还不够系统和彻底。

在受体设计上，骨架工程策略是一种常用方法，但是它的合成路线比较复杂，工业品质因数也比较低。

而侧链工程策略，则是一种便捷的通过改变分子结构来优化器件性能的方法。即通过策略性地修饰受体的侧链，调节稠环电子受体的固有属性，比如调节能级和聚集行为，从而影响能量偏移和静态能量无序情况。

在各种侧链工程技术中，构象锁已被广泛用于构建旋转异构体。构象锁不仅有利于实现平面的、刚性的分子结构，且不会影响溶解度。

其中，平面分子结构便于形成紧密的分子间堆积和提高结晶度，从而稳定形貌并抑制各种降解机制。

刚性分子结构则有助于抵抗构象变化，从而能够最大限度地减少能量无序，进而提高器件性能。

此前，人们通过在非富勒烯受体小分子 ITIC 和 IT-4F 的中心引入构象锁，让非富勒烯受体小分子 ITC6-IC 和 ITC6-4F 实现了最低未占分子轨道能级的上移和高度的平面构型，从而增强了开路电压。

然而，对于增强开路电压和抑制 ΔEnonrad 来说，构象锁到底能够带来怎样的影响？人们尚不清楚。

设计并合成两种新型非富勒烯受体小分子

基于上述背景，该课题组开展了本次研究。非富勒烯受体小分子 IT-4Cl 骨架具有更强的聚集性、更紧密的分子堆积性和更高的结晶性。

同时，IT-4Cl 的造价更加便宜，因此有望降低非富勒烯受体小分子的成本。同时，IT-4Cl 具有较低的工业品质因数，并对于铸态设备制造具有较好的适应性，所以 IT-4Cl 骨架衍生物更有可能实现商业化。但是，IT-4Cl 的能级较低，这会造成驱动能量的浪费。

为此，该团队通过引入构象锁，并使用两个延长的烷基链修饰分子来避免过度聚集，进而在 IT-4Cl 骨架的基础之上，通过侧链工程策略设计并合成了两种新型非富勒烯受体小分子，课题组将它们分别命名为 IMC6-4Cl 和 IMC8-4Cl。其发现，IMC6-4Cl 和 IMC8-4Cl 表现出能级升高和吸收红移的特点。

而由于它们的分子内表面静电势差异较小，堆积也更加有序，从而能够降低能量无序，进而让 ΔEnonrad得到了有效抑制。

通过核磁共振和飞行时间质谱，该团队鉴定了中间体和最终产物的分子结构。由此发现，IMC6-4Cl 和 IMC8-4Cl 均表现出良好的分解温度（359℃ 和 352℃）。

最终，基于 IMC8-4Cl 这一非富勒烯受体小分子，课题组制备出一种有机太阳能电池，实现了 13.99% 的功率转换效率，开路电压为 0.97eV，短路电流为 23.14mAcm-2。

（来源：ACS Materials Letters）

日前，相关论文以《ITIC 骨架中的侧链工程使铸态有机太阳能电池的能量损失降低，并能改善垂直相分布》（Side-Chain Engineering in ITIC SkeletonEnabling As-Cast Organic Solar Cells withReduced Energy Loss and Improved VerticalPhase Distribution）为题发在 ACS Materials Letters。

宁波诺丁汉大学博士生朱锦涛是第一作者，宁波诺丁汉大学 Hainam Do 教授、西北工业大学宁波研究院 Fei Chen 担任共同通讯作者，西北工业大学宁波研究院陈志宽教授是共同作者之一。

图 | 相关论文（来源：ACS Materials Letters）

30 多年材料研发积累，7 年创业实践

如前所述，在本次论文的作者之中，陈志宽不仅是一位学者，还是一位创业者。公开资料显示，陈志宽本硕博均毕业于北京大学，后在新加坡国立大学完成博士后研究。

1998 年，他开始在新加坡南洋理工大学和新加坡国立大学任职。2013 年，陈志宽回国受聘为南京工业大学江苏省特聘教授、南京工业大学新兴产业发展研究院院长，兼任西北工业大学宁波研究院柔性电子技术研究中心责任教授。

2017 年，陈志宽创办卢米蓝。2022 年，他带领卢米蓝团队与一支院士团队解决了 OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管显示器）材料“卡脖子”难题。

目前，该公司具有自主知识产权的红光主体材料实现量产，技术指标和产品质量达到国际一流水平，实现进口替代。

创办卢米蓝七年以来，陈志宽同时耕耘于学术圈和创业圈。在创业的同时，他也非常乐意向校园学子传递创业心法。2023 年 10 月，他曾来到南京邮电大学开设企业家讲座。

同时，这两年他也参与了数篇论文的撰写。而在 2024 年 10 月，卢米蓝刚刚完成新一轮的融资，本轮融资由浙江文投集团旗下数文基金领投。

当前，随着智能硬件市场的快速爆发，OLED 材料市场体量已超过 300 亿元，中国也已成为全球最大的 OLED 面板生产国。

陈志宽告诉媒体：“加上 OLED 在笔记本电脑、汽车等领域的快速发展，OLED 的市场体量有望超过 600 亿元，这为我们快速发展留出了足够大的空间。”目前，他正带领公司加速研发 OLED 蓝光材料和绿光材料等产品[2]。

参考资料：

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

支持：Ren、毛剑斌、曾华

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