在國家自然科學基金委和科技部重點研發計劃的支持下，化學研究所有機固體院重點實驗室李永舫課題組最近在近紅外吸收的窄帶隙受體光伏材料的研究中取得一系列重要進展。2017年，課題組在A-D-A類受體ITIC的中心稠環D-單元與末端A-單元之間再插入一個碳碳雙鍵、拓寬了分子的吸收光譜（Chem. Mater. 2017, 29, 10130–10138）。隨后，課題組又將這一策略拓展到A-DA’D-A類窄帶隙小分子受體Y6中，通過在Y6的稠環中心核和端基之間插入雙鍵，設計并合成了一個新型窄帶隙受體BTPV-4F（Nat. Commun. 2021, 12, 178）。BTPV-4F的吸收較Y6進一步紅移，其薄膜的吸收邊紅移至1050 nm，能帶寬度降低到1.21 eV。 

　　近期，該課題組通過在BTPSV-4F的中心稠環中用硒吩替代末端噻吩，開發了新的超窄帶隙受體BTPSeV-4F（分子結構如圖1(a)），用于構建高效的串聯有機疊層太陽能電池。與BTPSV-4F相比，BTPSeV-4F薄膜的吸收顯示出更進一步的紅移，其吸收邊緣超過1060 nm，對應的光學帶隙低至1.17 eV?；?/span>BTPSeV-4F為受體和PTB7-Th為聚合物供體的單結OSC能量轉化效率達到14.2%，短路電流密度達到創紀錄的30.1 mA cm^-2，這是迄今為止基于光學帶隙低于1.2 eV的近紅外受體的最高性能的OSC。更重要的是，基于PTB7-Th:BTPSeV-4F的器件顯示了0.55 eV的低能量損失，是已報導的超窄帶隙有機光伏器件的最低值（如圖2(b)）。較低的能量損失可以歸因于PTB7-Th:BTPSeV-4F混合體中三重激子形成很大程度上被抑制以及低的能量無序度。 

　　該課題組進一步地將BTPSeV-4F用作后結子電池的受體制備了串聯型疊層有機太陽能電池（器件結構見圖2(a)）。為了更好地與超窄帶隙受體BTPSeV-4F帶隙匹配，他們設計和合成了一個具有中等帶隙的A-DA′D-A受體O1-Br（分子結構如圖1(a)）作為前結子電池的受體，通過帶隙工程使其達到1.58 eV較理想的光學帶隙。與Y6相比，O1-Br顯示出超過100納米的吸收光譜藍移。以BTPSeV-4F和O1-Br分別作為后結子電池和前結子電池的受體材料，得到的有機疊層太陽能電池能量轉化效率達到了19.0%。 

　　相關成果近期發表在Nat. Commun., 2023, 14, 1236，文章的第一作者為博士生賈鎮榕，通訊作者為孟磊研究員、Harald Ade教授（美國北卡州立大學）、Feng Gao教授（瑞典林雪平大學）和李永舫研究員。 

圖1. (a) 不同帶隙受體材料的分子結構(箭頭指向是其薄膜吸收邊的波長位置)，各受體分子(b)側鏈簡化結構的靜電勢分布、(c) 薄膜的吸收光譜和(d) 電子能級圖。 

圖2. 疊層有機太陽能電池的(a)器件結構示意圖、(b) 該成果與文獻報道的前后結子電池活性層光學帶隙與子電池開路電壓的關系、(c) J-V曲線和(d) EQE圖譜。

 有機固體院重點實驗室

2023年9月1日