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  有機太陽能電池因具有質量輕、成本低、可大面積制備和可溶液處理等諸多優點而受到廣泛關注。在有機太陽能電池的發展過程中，活性層材料的研發對提高器件綜合性能具有重要的意義。傳統的有機太陽能電池主要是基于富勒烯衍生物電子受體材料展開的，但是該類受體材料由于合成成本高、結構和能級不易調控等不足限制了其進一步發展。近年來，具有拉電子單元-給電子單元-拉電子單元（A-D-A）結構的非富勒烯小分子受體材料由于其結構確定、能級及吸收范圍易調控等優點在推動有機太陽能電池的發展中發揮了重要的作用。基于該類非富勒烯受體材料的器件通常有較低的能量損失和寬的光譜吸收范圍，從而具有更好的器件綜合效率。

  前期工作中，南開大學陳永勝教授課題組首次報道了基于苯并二噻吩（BDT）的稠環單元的小分子受體材料NFBDT，隨后對其中間單元和末端單元同時進行優化報道了A-D-A型的小分子受體NCBDT，并獲得了超過12%的器件效率。

  近期，南開大學陳永勝教授課題組和中國科學院化學研究所侯劍輝研究員課題組合作，通過對A-D-A型小分子受體材料的末端基團進行調控，設計并合成了以基于BDT的稠環結構（CBDT）作為中間單元、以氯代氰基茚滿二酮作為末端單元的非富勒烯小分子受體材料NCBDT-4Cl（如圖所示）。末端拉電子的氯原子的引入使該分子具有較低的LUMO和HOMO能級，其光譜吸收范圍主要位于600-900 nm，通過吸收截止邊計算得到的光學帶為1.40 eV。從能級和光譜吸收匹配的角度出發，選用了由侯劍輝研究員團隊報道的寬帶隙聚合物PBDB-T-SF作為電子給體材料。該聚合物具有較低HOMO能級，其與受體材料的HOMO能級差僅為0.18 eV，但是并不影響給體材料和受體材料之間的電荷產生過程；PBDB-T-SF的吸收光譜主要在450-700 nm，因此PBDB-T-SF:NCBDT-4Cl共混薄膜具有寬而有效的吸收范圍，利于所制備器件獲得高的短路電流密度。

  基于此，作者制備了以PBDB-T-SF:NCBDT-4Cl為活性層材料的正向器件，并對器件制備工藝進行了探索優化。器件在不經過任何后處理時獲得了13.1%的能量轉換效率，這是目前文獻報道中不經過后處理的最高器件效率；其開路電壓為0.885 V，能量損失僅為0.52 eV。隨后通過溶劑添加劑（DIO）和熱退火對器件進行優化，發現當DIO的添加量為0.2%（v/v），再在110°C進行熱退火10分鐘時，器件效率進一步提高至14.1%，其中開路電壓為0.851 V，短路電流密度為22.35 mA cm-2，填充因子接近75%。基于該優化器件的能量損失也僅為0.55 eV。通過AFM、TEM和GIXD測試分析并對比發現，器件性能的提高主要是由于更加優化的活性層形貌和更高效的光電轉換過程。考慮到受體材料和給體材料的化學結構的多樣性，通過對材料結構以及器件的優化，進一步降低器件的能量損失和拓寬活性層材料的吸收范圍，有助于實現有機太陽能電池效率的更大突破。

  該項成果以“A Chlorinated Low-Bandgap Small-Molecule Acceptor for Organic Solar Cells With 14.1% Efficiency and Low Energy Loss”為題，在線發表于Science China Chemistry（DOI: 10.1007/s11426-018-9334-9）。

  論文鏈接：http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-018-9334-9?slug=full%20text