В условиях растущего спроса на энергию и необходимости перехода к устойчивым источникам всё большее внимание уделяется органической фотовольтаике — технологии, позволяющей создавать лёгкие, гибкие и даже полупрозрачные солнечные элементы. Однако традиционные материалы, такие как производные фуллеренов и сложные нефуллереновые акцепторы конденсированного строения, требуют многостадийного синтеза, что увеличивает их стоимость и экологическую нагрузку. В этом контексте особый интерес представляют неконденсированные полициклические электронные акцепторы (NFREA), сочетающие высокую эффективность с простотой получения.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Materials Today Energy, коллектив учёных из России и Китая предложил новый подход к созданию NFREA с использованием прямого C–H арилирования — экологичного метода, который позволяет избежать токсичных промежуточных продуктов и сократить число стадий синтеза. В работе были разработаны четыре новых соединения: BTB-1, BTB-2, BCB-1 и BCB-2, различающиеся центральным фрагментом (тиофен или циклопентадитиофенон) и терминальными группами (фторированные или нефторированные).

Молекулы демонстрируют высокую планарность благодаря внутримолекулярным S–O взаимодействиям, что способствует эффективному π-сопряжению и переносу заряда. Спектральные исследования показали, что все соединения интенсивно поглощают свет в области 500–850 нм, идеально дополняя спектр бинарной донорно-акцепторной системы PM6:Y6, широко используемой в органических солнечных элементах.

Особенно важным оказалось влияние фторирования терминальных групп: такие акцепторы (BTB-2 и BCB-2) имеют более низкие энергетические уровни LUMO и улучшенную морфологию композитных пленок, что приводит к снижению потерь напряжения и улучшению фотовольтаических параметров.

В трехкомпонентных устройствах на основе PM6:Y6:BCB-2 был достигнут высокий КПД 17,7% с улучшенными значениями тока короткого замыкания, напряжения холостого хода и коэффициента заполнения. Анализ морфологии показал, что BCB-2 равномерно распределяется в активном слое, формируя оптимальную наноразмерную структуру для разделения зарядов и подавления их рекомбинации.

Важно отметить, что предложенная стратегия синтеза материалов отличается низкой сложностью (synthesis complexity SC ~48–50%) по сравнению с традиционными акцепторами типа Y6 (SC ~71%), что открывает перспективы для масштабируемого и экономичного производства.

Таким образом, работа демонстрирует, что рациональный молекулярный дизайн в сочетании с современными методами органического синтеза позволяет создавать простые, но эффективные материалы для солнечных элементов. Это важный шаг в направлении развития солнечной энергетики, сочетающей простоту производства, стабильность и высокую эффективность солнечных батарей.

Исследование проводилось при участии ученых из след. научных учреждений:

• Института синтетических полимерных материалов им. Н.С. Энциклопова РАН (Москва),
• Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка),
• Физического и химического факультетов Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
• Новосибирского института неорганической химии СО РАН,
• Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (Москва) и
•  Чжэнчжоуского исследовательского института Харбинского технологического института (Китай).

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.

Elizaveta D. Blagodarnaia, Aleksandr K. Kalinichenko, Karina N. Gupta, Nikita A. Shekhovtsov, Nikita A. Emelianov, Artem V. Bakirov, Ivan V. Dyadishchev, Dmitry Yu. Paraschuk, Pavel A. Troshin, Sergey M. Aldoshin, Yuriy N. Luponosov // Simple non-fused ring electron acceptors synthesized via direct C–H arylation for high-performance ternary organic solar cells // Materials Today Energy, Volume 55, January 2026, 102175, IF=8.6

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2025.102175