探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇 042

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探索未来能源的无限可能—有机光伏（OPV）篇

042 合成化学家的武器：如何高效合成复杂的OPV分子？ 2025-10-25

高效合成复杂的OPV（有机光伏）分子，是有机合成化学家们致力解决的问题。这不仅要追求高转化效率，还需兼顾合成的简便性、成本控制及环境友好性。下面这个表格梳理了当前一些核心的高效合成策略与思路：

策略方向 核心思路 代表案例/方法 优势/效果
绿色合成路线 开发无锡、无需预官能团化的合成路径，减少对有毒试剂和繁琐步骤的依赖。 直接C-H芳基化 避免剧毒有机锡试剂，副产物仅为氢气，步骤更少、产率更高、更环保。
分子结构创新 设计新型分子架构，在保证性能的同时，平衡合成复杂度与材料性能。 "N-π-N"型二聚体、巨型三聚体 (G-Trimer)
二聚体兼具小分子明确结构与聚合物良好成膜性；巨型三聚体在非卤溶剂加工下效率超过19%，且热稳定性优异。
低成本给体材料 通过简化分子结构、优化合成路径，开发低成本高效的聚合物给体材料。 PTQ系列聚合物(如PTQ10, PTQ11)
合成步骤少（PTQ10仅需两步），总产率高（达87.4%），器件效率仍能超过16%。
活性层形貌调控 通过端基工程等手段调控分子间相互作用，优化活性层形貌，从而提升器件性能。 LA系列小分子受体 通过调控受体分子间(A/A)及给受体分子间(D/A)相互作用，协同优化活性层形貌，最高效率达13.10%。
简化器件制备工艺 开发自组装材料，简化器件制备步骤，有望降低规模化制备成本。 自组装空穴传输分子 (如BPC-M) 实现活性层与空穴传输层一步法制备，器件效率高达19.3%。


核心合成策略详解

开拓绿色合成路线
传统的Stille偶联反应在OPV材料合成中应用广泛，但其依赖的有机锡试剂不仅毒性大，且难以完全去除，会影响材料性能和器件稳定性。

直接C-H芳基化策略的优势在于：它利用C-H/C-H交叉偶联，避免了锡试剂的使用，副产物仅为氢气，从源头上减少了环境污染。该策略合成步骤更少，产率更高，无需复杂的预官能团化，实用性更强，为OPV材料的绿色合成和未来商业化提供了新思路。

创新分子结构设计
"N-π-N"型二聚体和巨型三聚体 (G-Trimer) 是近年来备受关注的新型分子架构。它们巧妙地整合了小分子（结构明确、批次差异小）和聚合物（成膜性好）的优点，实现了"1+1>2"的效果。特别是星形对称结构的G-Trimer，其高分子量和独特的结构有助于调控在绿色溶剂（如邻二甲苯）中的聚集行为，从而在获得高效率的同时，解决了含卤溶剂对环境和健康的危害问题，并展现出优异的热稳定性。

聚焦低成本给体材料
以PTQ系列为代表的低成本给体聚合物是推动OPV商业化的重要力量。它们的成功在于采用了简单高效的合成设计：例如，PTQ10仅需两步合成，总产率高达87.4%。
这类材料证明了，通过巧妙的分子设计，完全可以在不牺牲器件效率（仍能超过16%）的前提下，显著降低材料的合成成本和复杂度。

调控活性层形貌
活性层的微观形貌直接影响器件的激子解离、电荷传输和最终效率。
端基工程是调控形貌的有效手段。通过改变小分子受体（SMA）的端基，可以调节分子的静电势分布和结晶性，进而平衡受体分子间（A/A）以及给/受体分子间（D/A）的相互作用。
研究表明，均衡的A/A和D/A相互作用有助于形成理想的纳米互穿网络结构，从而实现高效的电荷传输和较低的复合损失。

革新器件制备工艺
传统的逐层加工（SD）方法步骤繁琐，不利于大规模生产。
自组装沉积（SAD） 工艺提供了一种更简化的方案：通过将自组装电荷传输分子与给体、受体材料在溶液中混合，可以在成膜过程中同步形成活性层和电荷传输层，实现一步法加工。
该工艺的成功关键在于自组装分子的合理设计，需要确保其能快速、有效地完成自组装，避免在活性层中残留，从而保证高性能。


未来展望

综合来看，有机光伏材料的高效合成正朝着绿色化、智能化、实用化的方向发展。

绿色合成路线（如直接C-H活化）将继续深化，目标是开发出更多原子经济性高、环境友好的合成方法。

利用机器学习等人工智能技术，可以加速新材料的设计和器件工艺的优化，通过大数据分析预测分子结构与性能的关系，减少传统"试错"模式带来的资源消耗。

未来的研究将更注重解决OPV技术的商业化应用瓶颈。这包括开发非卤溶剂加工技术、设计兼具高效率与高稳定性的材料体系，以及发展适用于大面积制备的简化工艺。