2024年11月14日，北京化工大学李韦伟教授、陈巧梅副教授团队在Angewandte Chemie International Edition期刊发表题为“Fullerene-hybridized Fused-ring Electron Acceptor with High Dielectric Constant and Isotropic Charge Transport for Organic Solar Cells”的研究论文，团队成员Fang Haisheng为论文第一作者，陈巧梅副教授、李韦伟教授为论文共同通讯作者。
以富勒烯C60为原料，通过温和的[4+2]Diels-Alder环加成反应合成了一种新型各向同性富勒烯杂化稠环电子受体C60-Y，以提高有机太阳能电池的性能。对比分析表明，C60-Y明显优于对照受体Me-Y，相对介电常数从2.79显著提高到3.95。这种改进增强了激子解离，减少了非辐射能量损失。此外，C60-Y具有与富勒烯相似的各向同性分子堆积，有助于与供体聚合物形成有效的界面，并提高电荷迁移率。因此，采用C60-Y作为电子受体，二元OSCs的功率转换效率（PCE）提高到15.02%，超过了采用Me-Y的13.31%。此外，当集成到三元共混体系中时，PCE达到了19.22%，在使用富勒烯衍生物作为第三组分的三元OSCs中表现最佳。这些结果表明，类似C60-Y的富勒烯杂化受体，通过增强激子解离、降低能量损失和提高电荷迁移率，在推进高效OSCs方面具有巨大潜力。
DOI：10.1002/anie.202417951
该研究开发了一种在分子水平上整合富勒烯和非富勒烯体系优势的策略。通过经典的[4+2]Diels-Alder环加成反应，成功地将富勒烯C60连接到Y系列受体Me-Y的中心核上，形成了新的分子C60-Y。这一修饰过程在温和条件下完成，无需催化剂参与。与对照分子Me-Y相比，C60-Y的相对介电常数（𝜀𝑟）从2.79提高到3.95，增强了激子解离，减少了非辐射能量损失。此外，C60-Y具有与富勒烯相似的各向同性分子堆积，促进了与供体聚合物有效界面的形成，增强了电荷传输。因此，使用C60-Y作为电子受体，二元OSCs的PCE提高到15.02%，超过了使用Me-Y的13.31%。此外，当C60-Y融入三元混合体系（PM6:BTP-eC9:C60-Y）中，实现了高达19.22%的PCE，超过了二元PM6:BTP-eC9体系18.56%的效率。这也是通过引入富勒烯衍生物作为第三组分的三元有机太阳能电池中最高的功率转换效率。该研究强调了将各向同性的富勒烯与Y系列受体结合，以开发高性能有机太阳能电池创新第三组分的潜力。
总之，该研究设计并合成了新型富勒烯杂化Y系列受体C60-Y，并对其基本物理性质以及在OSCs中的潜在应用进行了全面分析。C60-Y结合了富勒烯与非富勒烯体系的优点，表现出高介电常数、增强的激子解离能力、降低的非辐射能量损失、各向同性的分子堆积结构以及改善的电荷传输特性，以及在供体-受体界面间的有效能量传递。这些特性使得二元体系的PCE显著提升，达到15.02%。此外，将C60-Y引入PM6:BTP-eC9体系后，不仅显著提高了开路电压和短路电流密度，还有效地抑制了双分子重组。该研究强调了利用富勒烯独特性质以推动高性能OSCs发展的潜力，并有望在富勒烯-杂化体系的发展中发挥关键作用。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
