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太陽能電池是一種利用光伏效應(yīng)將安全、綠色、可再生的太陽能轉(zhuǎn)換為電能的器件。有機太陽能電池具有成本低、質(zhì)量輕、環(huán)境友好、可實現(xiàn)半透明、可采用卷對卷印刷制備大面積柔性器件等突出優(yōu)點，在分布式光伏和“光伏+”應(yīng)用方面前景廣闊，可助力實現(xiàn)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標。有機太陽能電池的活性層一般由電子給體和電子受體材料組成。富勒烯是一類重要的碳基半導(dǎo)體材料，曾于1996年獲得諾貝爾化學(xué)獎，其重要應(yīng)用之一是用作有機太陽能電池的電子受體，2015年以前一直占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，其分子結(jié)構(gòu)決定其存在一些難以克服的缺點，如合成和純化難、可見光吸收弱、能量損失大、形貌穩(wěn)定性差，其器件效率已觸碰天花板，嚴重制約了有機太陽能電池的可持續(xù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進程，整個領(lǐng)域因電子受體材料這塊短板遭遇發(fā)展瓶頸。因此，發(fā)展高性能的新型受體材料是該領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題和挑戰(zhàn)性難題。

北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院占肖衛(wèi)課題組長期致力于有機太陽能電池非富勒烯受體材料的研究。占肖衛(wèi)團隊是國際上最早從事非富勒烯受體研究的課題組之一。2006年，他們率先在國內(nèi)開展了非富勒烯受體的研究，報道了世界上第一個基于芳香稠環(huán)酰亞胺的高分子受體（J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 7246，被引1150余次，來自Google Scholar）。經(jīng)過近十年堅持不懈的探索，他們于2015年創(chuàng)制了“明星分子”ITIC（Adv. Mater., 2015, 27, 1170，被引2790余次），并原創(chuàng)性地提出了稠環(huán)電子受體（Fused-Ring Electron Acceptor，縮寫FREA，又稱稠環(huán)受體Fused-Ring Acceptor，縮寫FRA）的概念。稠環(huán)電子受體使有機太陽能電池的效率實現(xiàn)了飛躍，現(xiàn)已超過20%，遠優(yōu)于富勒烯體系（12%）。稠環(huán)電子受體解決了富勒烯等經(jīng)典受體不能解決的核心科學(xué)問題，突破了領(lǐng)域瓶頸，顛覆了傳統(tǒng)的富勒烯體系，開啟了領(lǐng)域的“非富勒烯時代”。稠環(huán)電子受體吸引了來自20余個國家的350余個研究組的廣泛關(guān)注和競相跟進，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于可再生能源（如有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、量子點太陽能電池和光解水制氫）、信息技術(shù)（如場效應(yīng)晶體管、光電探測器、發(fā)光二極管和非線性光學(xué)）和生命健康（如光熱診療和光動力診療）等諸多領(lǐng)域。國內(nèi)外同行用里程碑、劃時代、變革性、開創(chuàng)性、先驅(qū)性、重要突破、明星分子等高度評價稠環(huán)電子受體。

最近，占肖衛(wèi)團隊在《自然綜述化學(xué)》發(fā)表了題為“The principles, design and applicationsof fused-ring electron acceptors”的邀請綜述（Nat. Rev. Chem., 2022, DOI:10.1038/s41570-022-00409-2），系統(tǒng)總結(jié)了稠環(huán)電子受體的基本科學(xué)原理、分子設(shè)計策略和功能應(yīng)用，并指出了領(lǐng)域目前面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。這篇綜述是《自然綜述化學(xué)》上發(fā)表的第一篇有機太陽能電池的論文。迄今為止，《自然》子刊一共發(fā)表了5篇以非富勒烯受體為主題的綜述，其中占肖衛(wèi)為獨立通訊作者的論文2篇（Nat. Rev. Mater., 2018, 3, 18003，被引1830余次；Nat. Rev. Chem., 2022, DOI:10.1038/s41570-022-00409-2），為共同通訊作者的論文1篇（Nat. Photon., 2018, 12, 131-142，被引1270余次）。

稠環(huán)電子受體的應(yīng)用示意圖

占肖衛(wèi)課題組王嘉宇博士是這篇論文的第一作者，占肖衛(wèi)是通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金委等的資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41570-022-00409-2

參考資料：https://www.mse.pku.edu.cn/info/1012/2072.htm