化學(xué)所非富勒烯全小分子太陽(yáng)能電池效率研究獲進(jìn)展

　　溶液可加工本體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池具有質(zhì)量輕、成本低、可采用溶液印刷方法制備柔性大面積電池面板等優(yōu)勢(shì)，成為了近年來(lái)新能源研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池活性層由溶液可加工的共軛聚合物或小分子給體與受體共混組成。其中，以富勒烯及其衍生物制備的電子受體材料為有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，但這類材料也存在自身缺陷，如C60、C70的合成及制備富勒烯衍生物的原材料成本較高，且制備和提純困難；在可見(jiàn)光區(qū)吸收較弱，且很難拓寬。因此，研究者合成了許多非富勒烯聚合物和小分子受體材料并將其廣泛應(yīng)用在有機(jī)太陽(yáng)能電池中。小分子材料具有明確的分子結(jié)構(gòu)，無(wú)合成批次差別，因此有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池的研究也引起了人們的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，基于富勒烯受體的小分子太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)可以與聚合物太陽(yáng)能電池相媲美，但以非富勒烯受體材料制備的小分子太陽(yáng)能電池性能卻較差。目前為止，基于非富勒烯小分子太陽(yáng)能電池僅取得了7%的能量轉(zhuǎn)換效率。鑒于非富勒烯小分子太陽(yáng)能電池具有非富勒烯受體材料和小分子給體材料的雙重優(yōu)勢(shì)，其研究將成為有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的重要課題。

　　然而，與非富勒烯聚合物太陽(yáng)能電池和小分子富勒烯太陽(yáng)能電池相比，高效非富勒烯小分子太陽(yáng)能電池面臨巨大挑戰(zhàn)。首先，非富勒烯受體材料具有各向異性的共軛骨架和超快的電荷轉(zhuǎn)移，很大程度上受給受體分子間堆積影響；然而，調(diào)制分子間堆積的方法仍不明朗。其次，小分子活性層的相分離形貌和小分子太陽(yáng)能電池的光伏性能對(duì)器件制備條件更加敏感；因此，雖然非富勒烯小分子太陽(yáng)能電池具有非富勒烯受體材料和小分子給體材料的雙重優(yōu)勢(shì)，但高效率非富勒烯小分子太陽(yáng)能電池的制備仍具有很大挑戰(zhàn)。

　　中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所高分子物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室侯劍輝課題組研究人員設(shè)計(jì)合成了以三個(gè)二維烷基噻吩取代的BDT為中心單元，3-乙基羅丹寧為端基的A-D-A小分子，DRTB-T(見(jiàn)下圖)。DRTB-T的光學(xué)帶隙為2.0eV，HOMO能級(jí)為-5.51eV。以DRTB-T為給體，IC-C6IDT-IC為受體制備了非富勒烯小分子太陽(yáng)能電池，并通過(guò)溶劑退火的方法對(duì)其形貌進(jìn)行調(diào)控，最終獲得了9.08%的能量轉(zhuǎn)換效率，這是目前報(bào)道的非富勒烯小分子太陽(yáng)能電池的最高效率，這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc. 2017 , 139,1958-1966）。

非富勒烯全小分子太陽(yáng)能電池材料與性能示意圖