UCLA杨阳教授团队Accounts of Chemical Research：窄带隙有机半导体开启有机光伏新纪元
近二十年来，为克服日益严重的能源短缺和环境污染问题，具备重量轻，柔韧性好，可大面积低成本制备的有机太阳能电池受到了学术界和工业界的广泛关注。
在有机太阳能电池研究的初期阶段，其光活性层通常由宽带隙有机半导体材料（例如MEH-PPV，P3HT，PCBM）组成。由于这些宽带隙有机半导体只能利用紫外光区和可见光区的光子，导致了当时有机太阳能电池的能量转换效率普遍低于5%。根据Shockley-Queisser模型，为更好的匹配AM 1.5G太阳光谱，太阳能电池的最佳光学带隙处于1.1 eV到1.3 eV之间。基于此，研究者们开始着手于设计合成窄带隙聚合物给体。通过十余年的不懈努力，有机太阳能电池的能量转换效率从5%被提高到了12%。2017年以来，窄带隙非富勒烯受体成为了新的研究热点。短短三年里，研究者们将基于窄带隙非富勒烯受体的有机太阳能电池的能量转换效率提高到了17%。
在某种意义上，窄带隙给受体材料的发展贯穿了近十五年有机太阳能电池的发展历史。相比于宽带隙有机太阳能电池，窄带隙有机太阳能电池具备很多优点：1）可利用大量的近红外区光子，有潜力获得更高的短路电流密度；2）可以减少给受体之间的最低空电子分子轨道（LUMO）能级差或者最高占电子分子轨道（HOMO）能级差，这可以减少因给受体之间电荷转移所引起的开路电压损失；3）由于有机半导体独特的分子轨道特性，其吸收范围通常较窄，缩小其带隙将造成吸收范围红移而使得其在可见光区吸收较弱，此特性非常适合半透明有机太阳能电池以及叠层有机太阳能电池的后节部分。
图：窄带隙聚合物给体（PDTP-DFBT），窄带隙聚合物受体（Y1）以及其吸收光谱。
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在这篇论文中，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的杨阳教授（Prof. Yang Yang）团队首先总结了他们从2008年起开始的窄带隙有机半导体的设计和合成工作。具体讨论了构筑这些聚合物/小分子的几种策略，包括如何增强分子内电荷转移效应，以及如何调控材料的空间位阻以及LUMO/HOMO能级。在这一部分中，除了对基于苯并二噻吩/并噻吩或苯并二噻吩/吡咯并吡咯二酮的窄带隙聚合物给体的设计进行系统分析之外，他们还介绍了一些基于他们自己合成的新给体单元的聚合物给体和非富勒烯受体。特别的是，他们详细介绍了窄带隙非富勒烯受体Y1的设计思路。基于ITIC的分子骨架（即强拉电子端基-大稠环给体核-强拉电子端基），他们成功引入了新设计合成的大稠环给体核，使得Y1受体同时拥有了窄带隙和较高LUMO能级，非常有利于有机太阳能电池获得高的短路电流密度和开路电压。2019年以来，随着UCLA杨阳教授团队首次报道了Y1受体的设计合成，Y1家族/体系的非富勒烯受体成为了有机太阳能电池领域的新研究热点。
随后，杨阳教授团队系统分析了如何使用这些窄带隙的聚合物给体/非富勒烯受体来构筑高性能的单节有机太阳能电池和叠层有机太阳能电池。他们从器件的角度分析了如何进行给体/受体选择、能级匹配、薄膜形貌调控、叠层电池前后节电流密度匹配、中间层构筑、电池界面调控以及器件结构构筑等。在这一部分中，他们还介绍了如何使用这些窄带隙的聚合物给体/非富勒烯受体来构筑高性能的三元共混有机太阳能电池和半透明有机太阳能电池。最后，他们从材料设计、形貌调控以及器件构筑等角度分享了一些可能的未来研究方向以期望得到能量转换效率高达20~25%的有机太阳能电池。
Cheng, P.*; Yang, Y.*: Narrowing the Band Gap: The Key to High-Performance Organic Photovoltaics. Acc. Chem. Res. 2020, DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00157.