近红外非富勒烯受体材料用于高性能聚合物太阳能电池

有机太阳能电池（Organic Photovoltaics，简称：OPVs）又称塑料太阳能电池，是采用有机导电材料来收集太阳能的一种电池。该类电池具有原材料丰富、成本低、工艺相对简单等特点，在大面积工业化生产中具有明显的优势，同时所有原材料无毒、无污染，对保护环境具有重要的意义。但有机太阳能电池要实现商业化，最重要的制约因素是当前较低的光电转化效率。尽管国内外相关的研究取得了较大的进展，但迄今为止大幅度改善有机太阳能电池的光电转化效率仍未取得显著的成效，目前有机太阳能电池体系中所使用的光活性材料大多只能吸收太阳光谱中的可见光，光活性材料的吸收峰峰值大多数分布在400-750 nm之间，而可见光只占太阳光谱的45%左右，约48%的红外光没有得到有效的开发利用。理论研究结果表明，如果能探索出吸收可以拓宽至1000 nm的具有近红外吸收功能的理想光活性材料，有机太阳能电池的光电转化效率有望达到25%，从而实现商业化应用。

与传统的硅电池相比，有机太阳能电池的另一个显著优势是可以制作成半透明器件，广泛应用于手机、电脑等便携式电子设备以及建筑物表面。这种半透明太阳能电池将采光与太阳能发电融为一体，作为高楼大厦外层装饰、车辆挡风玻璃等的替代品具有很大的潜力，除了传统玻璃的功能之外，又增加了光电转化功能，无疑对拓展太阳能电池更为广泛的应用具有重大的意义。

在此之前，关于有机近红外光伏材料的研究多出现于活性层的给体材料，直至近几年，非富勒烯受体材料的兴起为开发具有近红外吸收的有机光活性材料开辟了新的道路。苏州大学的蒋佐权副教授（点击查看介绍）、廖良生教授（点击查看介绍）与论文的第一作者李永玺博士在前期研究工作的基础上（J. Mater. Chem. A., 2016, 4, 5890; Energy Environ. Sci., 2016, 9, 3429; Nano Energy, 2016, 27, 430）成功设计合成了一种具有近红外吸收光能力的受体分子BT-IC。该分子以苯并二噻吩（BDT）作为基本单元的梯形共轭骨架，并辅以具有给电子能力的烷氧基侧链加强分子内的电荷转移作用来推动吸收光谱的红移。经测定，该分子的能隙低至1.43 eV，吸收边缘达到~870 nm。中科院化学所的张志国副研究员和李永舫院士利用该课题组开发的聚合物J61和J71作为给体与BT-IC进行搭配，得到最高10.5%的光电转换效率。有趣的是，研究人员在共同研究中发现，即使器件中使用的给受体HOMO能级差值非常小（< 0.1 eV），它们之间仍然发生了有效的激子分离。为了进一步理解该现象，美国北卡州立大学的Kenan Gundogdu教授课题组也参与了此项研究，通过瞬态吸收光谱来研究混合膜中激子（exciton）和极化子（polaron）的动力学行为，并发现空穴从受体的HOMO轨道到给体HOMO轨道的传输是非常有效的。这一研究结果为进一步开发高效的近红外受体材料并降低有机光伏器件的能量损失提供了新的思路。

图1. 相关分子的化学结构和能级模型。

图2.（a）基于J61:BT-IC (1:1, w/w)和J71:BT-IC (1:1.5, w/w)的有机光伏器件的电流密度-电压特性曲线；（b）基于J61:BT-IC (1:1, w/w)和J71:BT-IC (1:1.5, w/w)的有机光伏器件的外量子效率特性曲线。

图3.（a）混合膜J61:BT-IC在1.62 eV激发条件下的瞬态吸收光谱；（b）混合膜J71:BT-IC在1.62 eV激发条件下的瞬态吸收光谱；（c）混合膜J61:BT-IC激子动力学的特性研究；（d）混合膜J71:BT-IC激子动力学的特性研究。

相关研究工作发表在近期出版的Energy & Environmental Science 上，并被选为Hot Paper，该工作得到国家自然科学基金的支持。

该论文作者为：Yongxi Li, Lian Zhong, Bhoj Gautam, Hai-Jun Bin, Jiu-Dong Lin, Fu-Peng Wu, Zhanjun Zhang, Zuo-Quan Jiang, Zhi-Guo Zhang, Kenan Gundogdu, Yongfang Li and Liang-Sheng Liao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Near-Infrared Non-Fullerene Electron Acceptor for High Performance Polymer Solar Cells

Energy Environ. Sci., 2017, 10, 1610, DOI: 10.1039/C7EE00844A

导师介绍

蒋佐权

http://www.x-mol.com/university/faculty/18409

廖良生

http://www.x-mol.com/university/faculty/18390