陳永勝教授課題組在前期小分子給體材料的工作中，報道了一類具有受體單元-給體單元-受體單元（A-D-A）結構的小分子，這些材料的能級能夠通過改變中間給體單元的給電子能力和末端受體單元的拉電子能力進行有效的調控。近年來，具有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。而在A-D-A小分子給體材料能級調控的策略同樣適用于受體材料的設計合成中。

陳永勝教授課題組在之前的工作中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，并獲得了超過10%的能量轉換效率（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 4929?4934）。對該材料的給體單元和受體單元進行優化可以有效的調控能級，從而獲得更窄帶隙的小分子受體材料，拓寬吸收光譜從而利于獲得更高的短路電流密度。

從該角度出發，陳永勝教授等課題組報道了新的A-D-A型的小分子受體NCBDT（Adv. Mater. 2018, 30, 1704904）。與NFBDT相比較，該受體材料的最高已占有軌道（HOMO）的能級升高，這主要是由于在NFBDT的中間單元引入了弱的烷基鏈給電子單元；同時最低未占有軌道（LUMO）的能級降低，是由于在NFBDT的末端單元引入了強的氟原子拉電子基團。通過精細結構優化的策略，NCBDT受體材料的光學帶隙低至1.45 eV，其薄膜吸收范圍拓展至近紅外區域，與聚合物給體材料的吸收范圍互補更好。

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與帝國理工的Artem. A Bakulin團隊和劍橋大學的Richard H Friend團隊對材料體系的光物理過程進行了超快光譜分析發現，在基于兩個受體材料器件中觀察到比較慢（~400 ps）但是有效的電荷產生進而有效的電荷提取過程，說明對該體系受體材料的能級調控并沒有影響相關的光物理過程。更低的電荷分離的驅動力并沒有影響電荷分離的過程，這為同時獲得高的短路電流密度和低的開路電壓損失提供了新的途徑。因此，在維持相對高的開路電壓的前提下，基于該受體材料的器件獲得了超過20 mA cm-2的短路電流密度以及超過12%的能量轉換效率。通過能級調控優化給受體材料之間的HOMO以及LUMO能級差值，可以在增加吸收太陽光獲得高電流的同時盡可能的降低開路電壓損失。

基于該體系小分子受體材料，陳永勝教授課題組通過進一步的分子結構優化以及器件優化，獲得了12.8%的全非富勒烯三元器件（Adv. Energy Mater. 2018, 1800424）以及14.11%的疊層器件（Adv. Mater. 2018, 1707508）。考慮到苯并二噻吩衍生物的化學結構的多樣性以及該材料體系的光物理過程，通過對受體材料以及給體材料的進一步優化，可以獲得能量損失更低的高效率有機太陽能電池

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201800424

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201707508

文章來源：南開大學

IEEE Spectrum

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