化學所非富勒烯全小分子太陽能電池效率研究獲進展

　　溶液可加工本體異質結太陽能電池具有質量輕、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勢，成為了近年來新能源研究領域的研究熱點。本體異質結太陽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太陽能電池領域的發展做出了巨大貢獻，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；在可見光區吸收較弱，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用在有機太陽能電池中。小分子材料具有明確的分子結構，無合成批次差別，因此有機小分子太陽能電池的研究也引起了人們的廣泛關注。近年來，基于富勒烯受體的小分子太陽能電池的能量轉換效率已經可以與聚合物太陽能電池相媲美，但以非富勒烯受體材料制備的小分子太陽能電池性能卻較差。目前為止，基于非富勒烯小分子太陽能電池僅取得了7%的能量轉換效率。鑒于非富勒烯小分子太陽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勢，其研究將成為有機太陽能電池領域的重要課題。

　　然而，與非富勒烯聚合物太陽能電池和小分子富勒烯太陽能電池相比，高效非富勒烯小分子太陽能電池面臨巨大挑戰。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移，很大程度上受給受體分子間堆積影響；然而，調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能電池的光伏性能對器件制備條件更加敏感；因此，雖然非富勒烯小分子太陽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勢，但高效率非富勒烯小分子太陽能電池的制備仍具有很大挑戰。

　　中國科學院化學研究所高分子物理與化學實驗室侯劍輝課題組研究人員設計合成了以三個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(見下圖)。DRTB-T的光學帶隙為2.0eV，HOMO能級為-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能電池，并通過溶劑退火的方法對其形貌進行調控，最終獲得了9.08%的能量轉換效率，這是目前報道的非富勒烯小分子太陽能電池的最高效率，這項研究最近發表在《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc. 2017 , 139,1958-1966）。

非富勒烯全小分子太陽能電池材料與性能示意圖