化學所通過分子能級的精準調控實現有機光伏效率新突破

　　聚合物太陽能電池作為新興的前沿研究領域，其能量轉化效率的不斷攀升主要得益于光活性層材料（包括電子給體與電子受體材料）的設計和開發。其中，通過分子結構的理性設計來調制材料的前線軌道能級是一種十分有效的提高器件開路電壓的策略。近年，在中國科學院、國家自然科學基金委、北京市科委和中國科學院化學研究所的大力支持下，化學所高分子物理與化學國家重點實驗室侯劍輝課題組研究人員對聚合物給體材料的能級調制進行了深入的研究。他們表示，通過降低給體材料的HOMO能級，可以實現相應光伏器件開路電壓的提升，并最終獲得更高的能量轉化效率（Chem. Rev. 2016, 116, 7397-7457； Polym. Int. 2015, 64, 957-962）。

　　相對于給體材料，對傳統的富勒烯型受體進行化學修飾更為困難。但令人振奮的是，此前研究人員在非富勒烯型聚合物太陽能電池中實現了超過11%的能量轉換效率（Sci. China Chem. 2016, DOI: 10.1007/s11426-016-0198-0），這個結果已經十分接近傳統的富勒烯型太陽能電池的最高效率。此外，相對于富勒烯型器件，非富勒烯型器件具有更加優異的穩定性，因此進一步發展此類光伏器件勢在必行。

　　得益于近年來對給體材料能級調控的成功實施，研究人員對于非富勒烯受體材料能級的精準調控展開研究。近期，他們首次通過在小分子受體的兩端引入弱給電子基團實現了對于受體材料LUMO能級的精準調控（Adv. Mater. 2016, DOI: 10.1002/adma.201602776）。研究表明：通過在特定位點進行給電子基團的修飾可以在保證材料HOMO能級基本不變的情況下，LUMO能級實現十分有效的提升；而隨著給電子性取代基引入數量的增加，材料的LUMO能級實現階梯式的提高。因此，相應器件的開路電壓從原先的0.90 V分別提升至0.94 V和0.97 V。更值得指出的是，由于取代基團較小的空間位阻，材料的堆積特性幾乎未發生改變，理想的共混薄膜形貌得以保持。因此，以給體材料PBDB-T和受體材料IT-M構筑的非富勒烯型太陽能電池器件實現了效率的進一步突破，并取得了創紀錄的12.05%的能量轉換效率。該電池的效率通過了中國計量科學研究院的認證，并達到11.6%，這是目前公開認證最高效率的單結有機太陽電池。同時，該工作也展現出受體材料精準能級調制的重要性，這將極大地促進受體光伏材料的發展。

小分子受體和聚合物給體的分子結構以及相應的分子能級和光伏性能參數