近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心等設(shè)計(jì)合成了兼具低能量損失和高能量轉(zhuǎn)換效率的非富勒烯小分子受體材料，為獲得高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池開(kāi)辟了新的途徑。相關(guān)成果發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications）。

圖片來(lái)自《自然-通訊》(Nature Communications）

前述研究由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心納米系統(tǒng)與多級(jí)次制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員魏志祥、呂琨、朱凌云，與山東大學(xué)教授郝曉濤合作完成。研究結(jié)果表明，通過(guò)降低受體在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的重組能，可有效降低非輻射復(fù)合和驅(qū)動(dòng)激子解離引起的能量損失，在開(kāi)路電壓(VOC)高于0.93伏的情況下，效率可達(dá)18.2%，能量損失低至0.48電子伏特。這是迄今為止文獻(xiàn)報(bào)道效率超過(guò)17%的二元有機(jī)光伏體系中最小的能量損失。

目前，有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)因重量輕、可溶液加工、半透明及柔性等優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注。隨著材料設(shè)計(jì)的發(fā)展和器件工藝的優(yōu)化，基于Y-體系的非富勒烯受體的有機(jī)太陽(yáng)能電池效率在二元器件中達(dá)18%以上，在三元器件中達(dá)19%以上。

然而，與無(wú)機(jī)和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相比，有機(jī)太陽(yáng)能電池的能量損失（即電壓損失）相對(duì)較大，成為限制有機(jī)太陽(yáng)能電池光伏性能的瓶頸因素。目前，大多數(shù)高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓被限制在0.8至0.9伏，能量損失普遍大于0.5電子伏特。為了進(jìn)一步提高有機(jī)太陽(yáng)能電池效率，需要深入了解能量損失的來(lái)源，并通過(guò)合理的分子設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低能量損失。

有機(jī)太陽(yáng)能電池的能量損失主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：激子解離需要的驅(qū)動(dòng)力和非輻射復(fù)合。非輻射復(fù)合與電子-振動(dòng)耦合有關(guān)（即重組能λ，它描述了電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中分子幾何形狀的變化，反映了電子與分子內(nèi)振動(dòng)之間的相互作用）。重組能在有機(jī)太陽(yáng)能電池的整個(gè)光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中具有重要作用，小的重組能有助于抑制非輻射符合，并可以減小激子解離所需的驅(qū)動(dòng)力。

近日，中科院國(guó)家納米中心等課題組以Y型非富勒烯受體為分子骨架，將苯并噻唑(BT)五元環(huán)核替換為喹喔啉(Qx)六元環(huán)核，設(shè)計(jì)合成了非富勒烯小分子受體Qx-1和Qx-2。

a）Y6、Qx-1和Qx-2受體的化學(xué)結(jié)構(gòu)；b）光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，不同電子態(tài)之間相互躍遷的重組能變化示意圖；c）理論計(jì)算的三個(gè)受體中不同電子態(tài)之間相互躍遷的重組能；d）效率統(tǒng)計(jì)分布圖；e）不同體系能量損失與效率統(tǒng)計(jì)圖，圖片來(lái)自中科大國(guó)家納米科學(xué)中心

通過(guò)理論計(jì)算與薄膜形貌、激子和電荷動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明，前述兩種受體在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的重組能顯著降低，有利于提高激子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度，促進(jìn)電荷傳輸，抑制激子解離和非輻射復(fù)合帶來(lái)的能量損失。以聚合物PM6為給體，Qx-1和Qx-2為受體的二元有機(jī)光伏體系的能量損失分別降低到0.508和0.482電子伏特，且兩種體系的開(kāi)路電壓均達(dá)到0.9伏以上，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)18%以上。

前述研究揭示了減小重組能對(duì)于降低有機(jī)太陽(yáng)能電池能量損失的重要性，為進(jìn)一步提高有機(jī)太陽(yáng)能電池效率提供了新策略。