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  有機(jī)太陽(yáng)電池由p-型有機(jī)半導(dǎo)體（p-OS）給體和n-型有機(jī)半導(dǎo)體（n-OS）受體共混活性層夾在透明導(dǎo)電電極和金屬電極之間所組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、成本低以及可采用溶液加工方法制備成柔性和半透明器件等優(yōu)點(diǎn)，成為了近年來(lái)新能源研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中p-OS給體光伏材料包括共軛聚合物和有機(jī)小分子兩類(lèi)材料。與聚合物相比，小分子材料具有確定的分子結(jié)構(gòu)、無(wú)合成批次差別、易提純等優(yōu)點(diǎn)，因此有機(jī)小分子給體光伏材料也引起了人們的廣泛關(guān)注。全小分子非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能電池使用p-OS小分子給體和n-OS小分子受體，同時(shí)具有小分子給體材料和非富勒烯小分子受體材料的優(yōu)點(diǎn)，最近成為有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。 

  在中科院先導(dǎo)項(xiàng)目的支持下，中科院化學(xué)所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李永舫院士課題組研究人員最近在p-OS小分子給體材料和全小分子非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)電池的研究中取得系列研究進(jìn)展，使全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)換效率突破了10%。

  p-OS小分子給體材料多采用A-π-D-π-A型（其中D代表給體結(jié)構(gòu)單元、A代表受體結(jié)構(gòu)單元）線性分子結(jié)構(gòu)。他們首先在其開(kāi)發(fā)的用于非富勒烯聚合物太陽(yáng)電池的J-系列高效聚合物給體光伏材料的基礎(chǔ)上，將J-系列聚合物小分子化，合成了基于苯并二噻吩（BDT）為給體單元、氟取代三氮唑（FBTA）為受體單元、氰基乙酸酯為末端受體單元的p-OS小分子H11和H12（分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1）。以H11為給體、n-OS小分子IDIC為受體的全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓（Voc）達(dá)到0.977V，能量轉(zhuǎn)換效率（下面簡(jiǎn)稱(chēng)效率）達(dá)到9.73%（J.Am.Chem.Soc.2017,139,5085-5094.）。

  n-OS小分子受體材料具有各向異性的共軛骨架的特點(diǎn)，因而優(yōu)化p-OS的分子結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)全小分子活性層的形貌以形成良好的給體-受體納米尺度相分離的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是提高全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池光伏性能的重要手段。他們以BDT為中心給體單元、將寡聚噻吩結(jié)構(gòu)引入p-OS分子結(jié)構(gòu)中，合成了兩個(gè)p-OS分子SM1和SM2（分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1）。基于SM1:IDIC的全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池的效率達(dá)到10.11%（Chem Mater. 2017,29,7543–7553.），這是全小分子非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)電池效率首次突破10%。 

  在基于噻吩取代BDT的二維共軛聚合物中，硅烷基側(cè)鏈可以有效地降低聚合物的HOMO能級(jí)，增強(qiáng)吸收和提高空穴遷移率。為了進(jìn)一步提升全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池的光伏性能，他們最近又將硅烷基噻吩為側(cè)鏈的二維BDT單元引入到p-OS小分子給體材料中，合成了兩個(gè)新的p-OS小分子給體光伏材料H21和H22（分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1），并研究了不同末端受體單元對(duì)材料物理化學(xué)性質(zhì)及其光伏性能的影響。基于H22：IDIC的全小分子有機(jī)太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升到10.29%。這一結(jié)果最近發(fā)表在Adv.Mater.,2018,30, 1706361.上。

  論文鏈接：

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6b12826

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.7b02536

  https://doi.org/10.1002/adma.201706361