由前后兩個(gè)單結(jié)有機(jī)太陽(yáng)電池（OSC）串聯(lián)組成的疊層有機(jī)太陽(yáng)電池（疊層OSC），可以拓寬太陽(yáng)光的利用范圍，克服單結(jié)器件吸光范圍有限以及熱損耗等問(wèn)題，從而獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。然而，由于疊層OSC中涉及的材料種類多，器件制備難度大，特別是目前缺乏高效的窄帶隙光伏材料用于后結(jié)子電池，導(dǎo)致其發(fā)展仍滯后于單結(jié)OSC。開(kāi)發(fā)在近紅外波段具有寬吸收以及高外量子效率的窄帶隙光伏材料，對(duì)實(shí)現(xiàn)高效的疊層OSC十分重要，窄帶隙有機(jī)光伏材料對(duì)半透明OSC的發(fā)展也較為重要。 

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李永舫課題組在近紅外吸收的窄帶隙受體光伏材料研究中取得進(jìn)展。2017年，課題組在A-D-A類受體ITIC的中心稠環(huán)D-單元與末端A-單元之間再插入一個(gè)碳碳雙鍵，拓寬了分子的吸收光譜（Chemistry of Materials 2017,  29, 10130–10138，論文第一作者是博士李驍駿）。近日，科研人員將這一策略拓展到A-DA’D-A類窄帶隙小分子受體Y6中，通過(guò)在Y6的稠環(huán)中心核和端基之間插入雙鍵，設(shè)計(jì)并合成了一個(gè)新型窄帶隙受體BTPV-4F（分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1a）。BTPV-4F的吸收較Y6進(jìn)一步紅移（圖1b），其薄膜吸收邊紅移至1050 nm，能帶寬度降低到1.21 eV。使用聚合物PTB7-Th為給體、BTPV-4F為受體、PC71BM為第三組分的三元單結(jié)OSC的短路電流（Jsc）達(dá)到28.9 mA·cm-2，能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)到13.4％，其短路電流是迄今報(bào)道的OSC器件的最高值。 

基于BTPV-4F在光學(xué)吸收和光伏性能方面展現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)，科研人員使用BTPV-4F為后結(jié)器件的受體構(gòu)建了疊層OSC。根據(jù)理論模擬（圖1c）、設(shè)計(jì)并合成了用于前結(jié)器件的帶隙為1.6 eV的中等帶隙受體m-DTC-2F（圖1d）。使用PM6：m-DTC-2F作為前結(jié)器件活性層，以PTB7-Th：BTPV-4F：PC71BM作為后結(jié)器件活性層構(gòu)建了疊層OSC。該疊層OSC表現(xiàn)出對(duì)300~1050 nm范圍整個(gè)可見(jiàn)-近紅外區(qū)太陽(yáng)光譜的有效利用，且兩個(gè)子電池實(shí)現(xiàn)了相對(duì)低的電壓損失，開(kāi)路電壓達(dá)1.65 V，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到16.4％（圖2）。此外，基于BTPV-4F的OSC表現(xiàn)出優(yōu)秀的光穩(wěn)定性，在太陽(yáng)光模擬器下光照500小時(shí)后，PCE值仍可保留至最初的91%。 

相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Communication上，化學(xué)所博士生賈鎮(zhèn)榕為論文第一作者，博士生秦書誠(chéng)為論文共同第一作者，化學(xué)所研究員孟磊、美國(guó)北卡州立大學(xué)教授Harald Ade、李永舫為論文通訊作者。 研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科學(xué)技術(shù)部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

圖1.（a）受體BTPV-4F和Y6的分子結(jié)構(gòu)（b）BTPV-4F和Y6薄膜的吸收光譜（c）模擬的疊層OSC前后結(jié)器件活性層的能帶隙匹配（d）受體m-DTC-2F以及聚合物給體PTB7-Th和PM6的分子結(jié)構(gòu) 

圖2.疊層有機(jī)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)及光伏性能