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  聚合太陽能電池具有制備簡單、質(zhì)量輕以及可制備柔性、半透明器件等突出優(yōu)點(diǎn)。近年來，具有吸收、能級易調(diào)控且分子堆積性能優(yōu)異的稠環(huán)n-型稠環(huán)有機(jī)半導(dǎo)體材料的發(fā)展極大推動了高效聚合物太陽能電池的發(fā)展。現(xiàn)階段，聚合物太陽能電池仍存在器件能量損失(Eloss)大的瓶頸問題。高效無機(jī)和鈣鈦礦太陽能電池的能量損失通常為0.4~0.5 eV，而文獻(xiàn)報導(dǎo)的大部分高效有機(jī)太陽能電池的能量損失都大于0.6 eV。因此，如何降低器件的Eloss是進(jìn)一步提高有機(jī)太陽能電池效率的關(guān)鍵。

  從光伏材料分子設(shè)計的角度，通過結(jié)構(gòu)修飾調(diào)控給受體間的能級差來提高器件的開路電壓（Voc）是降低器件Eloss的有效方式。近年來，蘇州大學(xué)李永舫院士團(tuán)隊的崔超華副教授等發(fā)展了運(yùn)用烷硫鏈降低給體材料HOMO能級、提高器件Voc和PCE的分子設(shè)計策略，取得了一系列研究成果(Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2276–2284; Adv. Mater. 2015, 27, 7469–7475; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 885–891; Energy Environ. Sci., 2019, 12, 675–683)。最近，他們協(xié)同運(yùn)用烷硫鏈和主鏈扭曲的分子設(shè)計策略，設(shè)計合成了一種基于烷硫鏈取代噻吩π橋的窄帶隙稠環(huán)受體材料IE4F-S（如圖1），取得了優(yōu)異的光伏性能。結(jié)果表明：將吸電子端基通過烷硫鏈取代噻吩的β位連接到共軛主鏈，可以扭曲端基平面與共軛主鏈的共平面性（圖2c），有效提高分子的LUMO能級；同時，噻吩π橋上烷硫鏈的引入可以降低分子的HOMO能級、拓寬吸收光譜、增強(qiáng)分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移。

圖1. (a) IE4F-S和給體PBDB-T、PTQ10的結(jié)構(gòu)式，(b) IE4F-S的合成步驟。

  將聚合物PTQ10作為給體材料與IE4F-S共混制備器件，盡管PTQ10和IE4F-S之間的HOMO能級差為零（如圖2b），電池器件仍取得了12.20%的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)，Voc高達(dá)0.996 V，器件的Eloss僅為0.47 eV。這是目前文獻(xiàn)報道的器件Eloss小于0.5 eV的能量轉(zhuǎn)換效率最高值。結(jié)果表明給受體間HOMO能級差為零時，電池器件仍能實現(xiàn)高的能量轉(zhuǎn)換效率。同時，將PBDB-T與IE4F-S共混制備器件，PCE高達(dá)13.72%，是目前基于PBDB-T器件的最高效率之一。

圖2. (a) 活性層材料的紫外-可見光吸收光譜，(b) 活性層材料的能級示意圖，(c) IE4F-S的前線軌道電子云分布，(d) IE4F-S的基態(tài)最優(yōu)構(gòu)象及各單元間扭轉(zhuǎn)角。

  以上成果發(fā)表于Chemistry of Materials (2019, doi: 10.1021/acs.chemmater.9b01175)。論文第一作者為蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部碩士生鄒巖，通訊作者為崔超華副教授，該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金項目(51873140，51603136，91633301)的資助。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b01175