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  隨著非富勒受體材料的發(fā)展，有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)高達(dá)13%，其中短路電流高達(dá)18-25 mA cm-2，填充因子多在65-75%之間，但是相應(yīng)的開(kāi)路電壓卻多低于1V,這也成為限制光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高的主要瓶頸。此外，高電壓電池可以用于串聯(lián)電池中，以便獲得高于2V的開(kāi)路電壓，為水分解制備氧氣與氫氣提供足夠的電壓，促進(jìn)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水分解的發(fā)展。

  高的電壓損失（30.6 V）是導(dǎo)致有機(jī)太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓較低的主要原因。原則上講，開(kāi)路電壓與給體材料的最高占有軌道（HOMO）能級(jí)和受體材料的最低未占軌道（LUMO）能級(jí)差息息相關(guān)。因此，降低給體材料的HOMO能級(jí)或者提高受體材料的LUMO能級(jí)可以有效地降低器件的能量損失，從而實(shí)現(xiàn)高電壓。但是實(shí)際上，開(kāi)路電壓的提高往往伴隨著短路電流的降低，這也導(dǎo)致開(kāi)路電壓高于1.1V，光電轉(zhuǎn)換效率高于8%的器件仍然屈指可數(shù)。因此，深入研究其中的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系是十分必要。根據(jù)分子軌道理論，當(dāng)材料中含有相同的給電子和吸電子的構(gòu)筑單元時(shí)，其產(chǎn)生的材料具有相近的分子能級(jí)（如圖（1））。采用相同的構(gòu)筑單元分別設(shè)計(jì)給受體材料，有助于獲得具有相近HOMO和LUMO能級(jí)的給受體材料，從而極大地降低器件的能量損失。

圖（1）：材料的分子能級(jí)與開(kāi)路電壓和短路電流關(guān)系示意圖以及他們?cè)O(shè)計(jì)給受體材料采用的構(gòu)筑單元。

基于上述設(shè)計(jì)思想，國(guó)家納米科學(xué)中心周二軍課題組和瑞典林雪平大學(xué)高峰課題組合作，利用相同的缺電子單元（苯并三氮唑BTA）作為構(gòu)筑單元分別設(shè)計(jì)給體材料和受體材料，用于實(shí)現(xiàn)相近的LUMO能級(jí)。如圖（2）所示，給體材料J61由苯并二噻吩衍生物（BDT）作為給電子單元和二氟取代的苯并三氮唑（BTA）作為缺電子單元，噻吩作為橋聯(lián)單元偶聯(lián)得到。受體材料BTA2，BTA1和BTA3是采用引達(dá)省并二噻吩（IDT）作為中間的給電子單元， BTA單元作為橋連單元，噻唑烷二酮（BTA2），繞丹寧（BTA1），雙氰基繞丹寧（BTA3）分別作為封端單元，偶聯(lián)得到。前期的工作已經(jīng)證明，BTA1 （Adv. Energy Mater.  2017, 7, 1602269.） 和BTA2 （ACS Macro Lett. 2017, 6, 410.）是一種理想的小分子受體材料，和經(jīng)典的聚-3-己基噻吩（P3HT）共混，分別能夠?qū)崿F(xiàn)1.02 V和1.22V的開(kāi)路電壓。

圖（2）：他們?cè)O(shè)計(jì)的給受體材料以及相應(yīng)的開(kāi)路電壓和器件效率。

  在該工作中，不同的封端單元可以微調(diào)受體材料的LUMO能級(jí)，便于進(jìn)一步研究電壓損失與電荷分離驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系。通過(guò)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表征，給、受體材料之間的LUMO能級(jí)差分別為：0.05, 0.21, 0.35 eV，HOMO能極差分別是0.11, 0.14, 0.17 eV，相應(yīng)的能量損失分別為：0.64，0.61，0.62 V。最終獲得高開(kāi)路電壓分別為1.30，1.26，1.14 V。通過(guò)電致發(fā)光實(shí)驗(yàn)獲得電荷驅(qū)動(dòng)力分別是0.03，0.07，0.11 eV，其中，只有J61：BTA3 的器件具有足夠的電荷驅(qū)動(dòng)力，可以實(shí)現(xiàn)激子的有效分離，獲得65%的外量子效率，最終表現(xiàn)出8.25% 的光電轉(zhuǎn)換效率。（Adv. Funct. Mater.,2017, DOI: 10.1002/adfm.201704507）實(shí)驗(yàn)表明通過(guò)能級(jí)的微調(diào)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料的高開(kāi)路電壓和高短路電流，從而獲得高效率的電池器件。該項(xiàng)工作證明，基于相同的缺電子單元設(shè)計(jì)相應(yīng)的給受體材料，是一種簡(jiǎn)單有效的實(shí)現(xiàn)超高開(kāi)路電壓的方法。同時(shí)，也進(jìn)一步證實(shí)苯并三氮唑（BTA）是一種構(gòu)建小分子受體材料的理想單元。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201704507/abstract