【人物与科研】中国科学院化学研究所李永舫院士课题组：基于新型超窄带隙受体的高效率叠层有机太阳能电池

导语

在有机太阳能电池（OSC）中，可以将两个或多个吸收互补的子电池通过串联来构建叠层太阳能电池结构。相比于单结器件，叠层器件可以更有效的利用太阳能光谱以实现更高的光电转化效率。叠层OSC中宽带隙的前结电池吸收短波长的光子获得高的开路电压；窄带隙的后结电池吸收近红外波长的光子，拓宽器件的光谱响应，输出更高的短路电流，因此实现了对太阳能光谱的分别利用。然而，目前叠层OSC器件效率仍然落后于单结OSC器件，其中一个主要原因是缺乏高效的窄带隙光伏材料应用于后结电池，这极大地限制了器件对近红外光谱的充分利用。因此，发展高效窄带隙光伏材料体系对叠层有机太阳能电池的研究具有重要意义。同时，高效窄带隙有机光伏材料对于半透明有机太阳能电池的发展也非常重要。最近中科院化学所李永舫院士课题组在新型窄带隙受体光伏材料的设计和合成方面取得了重要进展，并将这种窄带隙受体材料应用到了高效叠层有机太阳能电池上（Nat. Commun. 2021, 12, 178)。

李永舫课题组简介

聚合物太阳能电池是一种以有机聚合物为光活性层材料的新型太阳能电池，具备轻、薄、柔、可通过涂布方法低成本制备、以及可以制备成柔性和半透明器件等突出优点，是当前的研究前沿和热点方向之一。作为我国最早开展聚合物太阳电池研究的研究者之一，李永舫院士带领团队在该领域砥砺前行20年，在小分子与聚合物给体材料、富勒烯与非富勒烯受体材料、电极修饰层材料以及高性能聚合物太阳能电池制备等方面取得了丰硕的研究成果，为聚合物太阳能电池的发展做出了重要贡献。此外，该团队在导电聚合物电化学、无机半导体纳米晶的溶液制备及有机/无机杂化光电子器件等领域也取得了一系列具有重要影响的研究成果。

李永舫院士简介

李永舫，中国科学院院士，中国科学院化学研究所研究员, 苏州大学材料与化工学部特聘教授。现任《高分子通报》主编、《中国科学 化学》副主编、中国化学会监事。主要从事聚合物太阳能电池光伏材料和器件的研究，已发表研究论文800多篇，国内外学术会议大会报告和邀请报告130多次。发表论文已被SCI他人引用5万余次，h-因子110。“锂电池电极反应机理－电化学嵌入反应的研究”1987年获国家教委科技进步二等奖（排名第二，排名第一是吴浩青院士）。“导电聚吡咯的研究”获1993年度中国科学院自然科学一等奖和1995年国家自然科学二等奖（排名第二，排名第一是钱人元院士）。1998年获人事部授予“中青年有突出贡献专家”称号。“导电聚合物电化学和聚合物发光电化学池的研究”获2005年度北京市科学技术奖一等奖 (排名第一) 。“带共轭侧链的聚合物给体和茚双加成富勒烯衍生物受体光伏材料”获2018年度国家自然科学二等奖（排名第一）。“胶体量子点的可控合成和高品质LED应用研究”，获2018年度北京市科学技术二等奖（排名第一）。2012年获美国化学会“Macro2012 Lecture Award”，入选汤森路透发布的2013年“Hottest Scientific Researchers”21人名单、2014年材料科学领域及2015至2020年材料科学和化学两个领域“Highly Cited Researchers”名单。

前沿科研成果

基于新型超窄带隙受体的高效率叠层有机太阳能电池

由前后两个单结有机太阳能电池（OSC）串联组成的叠层有机太阳能电池（叠层OSC），可以拓宽太阳光的利用范围，克服单结器件吸光范围有限以及热损耗等问题，从而可以获得更高的光电转换效率。然而由于叠层OSC中涉及的材料种类多，器件制备难度大，特别是目前缺乏高效的窄带隙光伏材料用于后结子电池，导致其发展仍然滞后于单结OSC。开发在近红外波段具有宽吸收以及高外量子效率的窄带隙光伏材料，对于实现高效的叠层OSC至关重要。另外，窄带隙有机光伏材料对于半透明OSC的发展也非常重要。

在国家自然科学基金委和科技部重点研发计划的支持下，中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室李永舫课题组最近在近红外吸收的窄带隙受体光伏材料的研究中取得重要进展。他们2017年在A-D-A类受体ITIC的中心稠环D-单元与末端A-单元之间再插入一个碳碳双键、拓宽了分子的吸收光谱（Chem. Mater. 2017, 29, 10130–10138. 第一作者是李骁骏博士）。最近，他们又将这一策略拓展到A-DA’D-A类窄带隙小分子受体Y6中，通过在Y6的稠环中心核和端基之间插入双键，设计并合成了一个新型窄带隙受体BTPV-4F（分子结构见图1(a)）。BTPV-4F的吸收较Y6进一步红移（图1(b)），其薄膜吸收边红移至1050 nm，能带宽度降低到1.21 eV。使用聚合物PTB7-Th为给体、BTPV-4F为受体、PC₇₁BM为第三组分的三元单结OSC，其光电转换外量子效率（EQE）具有很宽的光谱响应范围（300-1050 nm）（图二）。该单结OSC的短路电流（J_sc）达到28.9 mA cm^-2，能量转换效率（PCE）达到13.4％，其短路电流是迄今报道的OSC器件的最高值。

图一：(a)受体BTPV-4F和Y6的分子结构，（b）BTPV-4F和Y6薄膜的吸收光谱，（c）模拟的叠层OSC前后结器件活性层的能带隙匹配，（d）受体m-DTC-2F以及聚合物给体PTB7-Th和PM6的分子结构。

（来源：Nature Communications）

图二：基于PTB7-Th：BTPV-4F的有机太阳能电池活性层吸收光谱及光伏性能。（来源：Nature Communications）

基于BTPV-4F在光学吸收和光伏性能方面展现出的优势，他们使用BTPV-4F为后结器件的受体构建了叠层OSC。他们根据理论模拟（见图1(c)），设计并合成了用于前结器件的带隙为1.6 eV的中等带隙受体m-DTC-2F（图1(d)）。使用PM6：m-DTC-2F作为前结器件活性层，以PTB7-Th：BTPV-4F：PC₇₁BM作为后结器件活性层构建了叠层OSC。该叠层OSC表现出对300~1050 nm范围整个可见-近红外区太阳光谱的有效利用，并且两个子电池表现出相对低的电压损失，叠层OSC的开路电压达到了1.65 V，光电转化效率达到16.4％（图2）。此外，基于BTPV-4F的OSC表现出优秀的光稳定性，在太阳光模拟器下光照500小时后，PCE值仍然可以保留至最初的91%。（图四）。

图三：叠层有机太阳能电池的器件结构及光伏性能。（来源：Nature Communications）
图四：光场模拟及器件长时间光照稳定性测试。（来源：Nature Communications）

以上结果表明，在非富勒烯受体分子中插入双键π桥是一个简单有效的方法来构建具有高效率以及高稳定性的窄带隙受体，同时BTPV-4F是一个高效的窄带隙受体材料用于有机叠层太阳能电池。

这一成果近期发表在Nature Communications上（Nat. Commun. 2021, 12, 178. DOI: 10.1038/s41467-020-20431-6)，论文共同第一作者为博士生贾镇榕和秦书诚，通讯作者为中国科学院化学研究所李永舫院士、孟磊研究员和北卡罗莱纳州立大学Harald Ade教授。

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