基于同一缺电子单元分别构建聚合物给体和小分子受体以实现超高开路电压
随着非富勒受体材料的发展，有机太阳能电池的光电转换效率已经高达13%，其中短路电流高达18-25 mA cm-2，填充因子多在65-75%之间，但是相应的开路电压却多低于1V,这也成为限制光电转换效率进一步提高的主要瓶颈。此外，高电压电池可以用于串联电池中，以便获得高于2V的开路电压，为水分解制备氧气与氢气提供足够的电压，促进太阳能驱动水分解的发展。
高的电压损失（³0.6 V）是导致有机太阳能电池开路电压较低的主要原因。原则上讲，开路电压与给体材料的最高占有轨道（HOMO）能级和受体材料的最低未占轨道（LUMO）能级差息息相关。因此，降低给体材料的HOMO能级或者提高受体材料的LUMO能级可以有效地降低器件的能量损失，从而实现高电压。但是实际上，开路电压的提高往往伴随着短路电流的降低，这也导致开路电压高于1.1V，光电转换效率高于8%的器件仍然屈指可数。因此，深入研究其中的结构性能关系是十分必要。根据分子轨道理论，当材料中含有相同的给电子和吸电子的构筑单元时，其产生的材料具有相近的分子能级（如图（1））。采用相同的构筑单元分别设计给受体材料，有助于获得具有相近HOMO和LUMO能级的给受体材料，从而极大地降低器件的能量损失。
图（1）：材料的分子能级与开路电压和短路电流关系示意图以及他们设计给受体材料采用的构筑单元。
基于上述设计思想，国家纳米科学中心周二军课题组和瑞典林雪平大学高峰课题组合作，利用相同的缺电子单元（苯并三氮唑BTA）作为构筑单元分别设计给体材料和受体材料，用于实现相近的LUMO能级。如图（2）所示，给体材料J61由苯并二噻吩衍生物（BDT）作为给电子单元和二氟取代的苯并三氮唑（BTA）作为缺电子单元，噻吩作为桥联单元偶联得到。受体材料BTA2，BTA1和BTA3是采用引达省并二噻吩（IDT）作为中间的给电子单元， BTA单元作为桥连单元，噻唑烷二酮（BTA2），绕丹宁（BTA1），双氰基绕丹宁（BTA3）分别作为封端单元，偶联得到。前期的工作已经证明，BTA1 （Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602269.） 和BTA2 （ACS Macro Lett. 2017, 6, 410.）是一种理想的小分子受体材料，和经典的聚-3-己基噻吩（P3HT）共混，分别能够实现1.02 V和1.22V的开路电压。
图（2）：他们设计的给受体材料以及相应的开路电压和器件效率。
在该工作中，不同的封端单元可以微调受体材料的LUMO能级，便于进一步研究电压损失与电荷分离驱动力的关系。通过各项实验表征，给、受体材料之间的LUMO能级差分别为：0.05, 0.21, 0.35 eV，HOMO能极差分别是0.11, 0.14, 0.17 eV，相应的能量损失分别为：0.64，0.61，0.62 V。最终获得高开路电压分别为1.30，1.26，1.14 V。通过电致发光实验获得电荷驱动力分别是0.03，0.07，0.11 eV，其中，只有J61：BTA3 的器件具有足够的电荷驱动力，可以实现激子的有效分离，获得65%的外量子效率，最终表现出8.25% 的光电转换效率。（Adv. Funct. Mater.,2017, DOI: 10.1002/adfm.201704507）实验表明通过能级的微调可以同时实现材料的高开路电压和高短路电流，从而获得高效率的电池器件。该项工作证明，基于相同的缺电子单元设计相应的给受体材料，是一种简单有效的实现超高开路电压的方法。同时，也进一步证实苯并三氮唑（BTA）是一种构建小分子受体材料的理想单元。
论文链接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201704507/abstract
高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn
相关进展
国家纳米科学中心丁黎明研究员课题组：有机太阳电池能量转换效率首次突破14%
南方科技大学副教授郭旭岗课题组在《德国应用化学》发表全聚物太阳能电池最新研究成果
中国石油大学（华东）赵学波教授团队：基于无定形电子给体聚合物与修饰富勒烯受体的高性能有机太阳能电池
南昌大学陈义旺教授课题组在室温加工的有机太阳能电池上取得新进展
关注高分子科学技术 👉
长按二维码关注
诚邀投稿
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina
（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。