近日，中國科學院國家納米科學中心等設計合成了兼具低能量損失和高能量轉換效率的非富勒烯小分子受體材料，為獲得高性能有機太陽能電池開辟了新的途徑。相關成果發表在《自然-通訊》(Nature Communications）。

圖片來自《自然-通訊》(Nature Communications）

前述研究由中國科學院國家納米科學中心納米系統與多級次制造重點實驗室研究員魏志祥、呂琨、朱凌云，與山東大學教授郝曉濤合作完成。研究結果表明，通過降低受體在光電轉換過程中的重組能，可有效降低非輻射復合和驅動激子解離引起的能量損失，在開路電壓(VOC)高于0.93伏的情況下，效率可達18.2%，能量損失低至0.48電子伏特。這是迄今為止文獻報道效率超過17%的二元有機光伏體系中最小的能量損失。

目前，有機太陽能電池(OSCs)因重量輕、可溶液加工、半透明及柔性等優點而受到關注。隨著材料設計的發展和器件工藝的優化，基于Y-體系的非富勒烯受體的有機太陽能電池效率在二元器件中達18%以上，在三元器件中達19%以上。

然而，與無機和鈣鈦礦太陽能電池相比，有機太陽能電池的能量損失（即電壓損失）相對較大，成為限制有機太陽能電池光伏性能的瓶頸因素。目前，大多數高性能有機太陽能電池的開路電壓被限制在0.8至0.9伏，能量損失普遍大于0.5電子伏特。為了進一步提高有機太陽能電池效率，需要深入了解能量損失的來源，并通過合理的分子設計，進一步降低能量損失。

有機太陽能電池的能量損失主要來自兩個方面：激子解離需要的驅動力和非輻射復合。非輻射復合與電子-振動耦合有關（即重組能λ，它描述了電子轉移過程中分子幾何形狀的變化，反映了電子與分子內振動之間的相互作用）。重組能在有機太陽能電池的整個光電轉換過程中具有重要作用，小的重組能有助于抑制非輻射符合，并可以減小激子解離所需的驅動力。

近日，中科院國家納米中心等課題組以Y型非富勒烯受體為分子骨架，將苯并噻唑(BT)五元環核替換為喹喔啉(Qx)六元環核，設計合成了非富勒烯小分子受體Qx-1和Qx-2。

a）Y6、Qx-1和Qx-2受體的化學結構；b）光電轉換過程中，不同電子態之間相互躍遷的重組能變化示意圖；c）理論計算的三個受體中不同電子態之間相互躍遷的重組能；d）效率統計分布圖；e）不同體系能量損失與效率統計圖，圖片來自中科大國家納米科學中心

通過理論計算與薄膜形貌、激子和電荷動力學結果表明，前述兩種受體在光電轉換過程中的重組能顯著降低，有利于提高激子壽命和擴散長度，促進電荷傳輸，抑制激子解離和非輻射復合帶來的能量損失。以聚合物PM6為給體，Qx-1和Qx-2為受體的二元有機光伏體系的能量損失分別降低到0.508和0.482電子伏特，且兩種體系的開路電壓均達到0.9伏以上，能量轉換效率達18%以上。

前述研究揭示了減小重組能對于降低有機太陽能電池能量損失的重要性，為進一步提高有機太陽能電池效率提供了新策略。