探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 031

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

031 颠覆者Y6：它凭何成为非富勒烯受体的里程碑？ 2025-10-14

Y6的出现，确实打破了有机光伏领域此前在效率上的僵局，引领了一轮新的研究热潮。它巧妙地融合了多种创新设计理念，使得基于它的太阳能电池效率一路攀升，甚至突破了18%的大关。

Y6：非富勒烯受体的革命性突破

Y6及其衍生物的核心突破在于其独特的A-D-A型（受体-给体-受体）分子结构，这一设计巧妙地平衡了有机太阳能电池中几个关键的矛盾，从而实现了性能的飞跃。

分子结构设计解析

Y6分子结构的精妙之处主要体现在以下几个方面：

核心理念：A-D-A型结构与窄带隙

Y6采用独特的A-D-A（受体-给体-受体）型分子结构。其核心是一个电子给体单元，两端连接强拉电子基团作为受体。这种推-拉电子结构极大地促进了分子内电荷转移，使Y6具有窄带隙（约1.33 eV） 和宽光谱吸收的特性，其吸收光谱可延伸至近红外区（约900 nm），能更充分地利用太阳光。

通过使用缺电子分子核心，Y6成功实现了低带隙和更高的电子亲和性。这与聚合物给体PM6组合时，形成了互补的吸收光谱，从而能更高效地捕获太阳光子。

侧链工程与三维堆积

Y6分子在侧链设计上做了精细优化。其烷基侧链经过巧妙设计，既保证了分子的溶解性，又不会过度阻碍分子间的紧密堆积。这种平衡使得Y6在活性层薄膜中能够形成适宜的三维堆积形态。

研究表明，Y6分子在非晶态混合区域内存在短程聚集，这种聚集被认为是Y6固有的形态学优势，它能有效地帮助电荷提取并抑制电荷复合。全原子分子动力学模拟也证实了这一点。

能级调控与电压损失控制

Y6的能级结构经过精心设计，其LUMO能级较高（绝对值较小），HOMO能级较低（绝对值较大），这使得基于Y6的器件可以获得较高的开路电压（Voc），同时仍能保持充足的驱动力用于电荷分离。

Y6型器件实现了低电压损失与高量子效率的并存，解决了长期困扰有机光伏领域的难题。研究表明，基于Y6的A-D-A型非富勒烯受体能够实现同时具有低能量损耗和高电荷产生效率的高效率电池器件。


Y6引发的性能飞跃

Y6的出现使得有机太阳能电池的效率纪录被不断刷新。以下是与Y6相关的一些重要性能突破：

性能突破 具体数据和意义

效率突破 当Y6与聚合物给体PM6配对时，在单结器件中实现了15.7% 的光电转换效率（PCE），远高于此前大多数非富勒烯受体的水平。
后续发展 通过给体聚合物优化（如三元共聚策略调整PM6的能级），以及Y6衍生物的开发，效率进一步提升，有些报道已超过18%。
工艺适配 通过对Y6侧链的精细修饰，在保持高效率的同时，也能适应如刮刀涂层等大面积生产工艺，这为商业化提供了可能。


Y6的多领域应用拓展

Y6的价值不仅限于有机光伏本身，其优异性能也激发了多个交叉领域的研究兴趣：

光电化学传感

研究发现，Y6不仅适用于有机光伏电池，由于其优异的光电转换效率，在光电化学领域也展现出应用潜力。例如，有研究利用Y6的有机单元化学反应选择性，创新性地制备了一种用于脲酶活性评价的传感器。这展示了Y6从能量转换到生物传感的应用拓展能力。

材料表征研究

Y6还成为了研究有机光伏活性层形貌的有力工具。研究人员合成了氘代Y6（d-Y6），利用中子散射和受体材料定向氘代化技术，将散射对比度提高了近一个数量级。这使得科学家们能够更深入地探究有机太阳能电池活性层中给体和受体材料的分布与排列，尤其是非晶区域的结构信息，而这是传统X射线散射技术难以探测的。


Y6的启示与未来展望

Y6的成功不仅仅是单一材料的成功，更为分子设计提供了关键思路：

分子设计思路：Y6的成功证明了A-D-A型结构、窄带隙设计、精细侧链工程与优化活性层形貌相结合的强大潜力。

研究方向开拓：Y6系列材料推动了对新型给体材料的需求与开发，同时也促进了更多高性能衍生物（如Y系列其他受体）的设计。

商业化前景：Y6类材料在柔性、轻质、半透明器件中优势明显，为有机光伏的商业化注入了强劲动力，尤其是在可穿戴电子、建筑一体化光伏等特定应用场景。


Y6的成功在于它巧妙地通过多维度的协同设计，解决了有机太阳能电池中几个长期存在的矛盾，推动了整个领域的跨越式发展，并持续激励着科研人员探索新的材料与物理机制。