有機(jī)太陽電池因輕、薄、柔及可溶液加工等優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴和便攜式能源、建筑光伏一體化等領(lǐng)域頗具應(yīng)用前景。目前，基于A-DA’D-A型小分子受體的高效有機(jī)太陽電池主要采用氯仿和氯苯等有毒的鹵素溶劑進(jìn)行加工。當(dāng)利用非鹵溶劑對有機(jī)太陽電池活性層進(jìn)行加工時(shí)，小分子受體在成膜過程中會易形成過度聚集，從而產(chǎn)生大尺度的相分離，導(dǎo)致嚴(yán)重的電荷復(fù)合和顯著降低的器件效率，這限制了非鹵溶劑加工工藝的發(fā)展，阻礙了有機(jī)太陽電池的商業(yè)應(yīng)用。因此，改善現(xiàn)有受體分子的聚集特性，使其在非鹵溶劑中具有合適的相分離尺寸，是當(dāng)前提升非鹵溶劑加工有機(jī)太陽電池效率的關(guān)鍵。

近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李永舫課題組基于A-DA’D-A型小分子受體ECOD合成了兩種乙烯基π橋連接位點(diǎn)異構(gòu)化的巨分子受體EV-i和EV-o（分子結(jié)構(gòu)見圖1），通過乙烯基π橋的不同連接位點(diǎn)調(diào)整了受體分子在非鹵溶劑中的聚集特性。乙烯基π橋與小分子受體結(jié)構(gòu)單元末端苯靠近羰基一側(cè)（朝內(nèi)）C位點(diǎn)連接合成的巨分子受體EV-i具有更為扭曲卻共軛性更強(qiáng)的分子結(jié)構(gòu)，而π橋單元與小分子受體末端苯靠近氰基單元一側(cè)（朝外）C位點(diǎn)連接制備得到的巨分子受體EV-o則表現(xiàn)出更好的平面性但共軛性變差。

在使用非鹵溶劑鄰二甲苯的加工過程中，巨分子受體EV-i扭曲的分子結(jié)構(gòu)使其與給體聚合物PM6共混后形成更為理想的給-受體相分離尺寸，再加上其增強(qiáng)的共軛性帶來的更高的吸光度和更高的載流子遷移率，使得基于PM6:EV-i的活性層具有增大的光子吸收和利用率以及減少的載流子復(fù)合，這利提升相應(yīng)聚合物太陽電池器件的填充因子和短路電流，從而使基于PM6:EV-i的聚合物太陽電池實(shí)現(xiàn)了18.27%的高的光電轉(zhuǎn)化效率。同樣的條件下，由于小分子受體ECOD在鄰二甲苯處理加工的薄膜中過強(qiáng)的聚集，導(dǎo)致基于PM6: ECOD的聚合物太陽電池的效率只有16.40%。而巨分子受體EV-o較為平面的分子結(jié)構(gòu)在鄰二甲苯加工處理的薄膜中表現(xiàn)出過度的聚集，使得基于PM6:EV-o的活性層中給-受體相分離嚴(yán)重，導(dǎo)致相應(yīng)光伏器件中存在嚴(yán)重的載流子復(fù)合。同時(shí)，EV-o較差的共軛性限制了相應(yīng)光伏器件的光子吸收和載流子傳輸，導(dǎo)致基于PM6:EV-o的聚合物太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率僅為2.50%。

此外，巨分子受體EV-i還兼具小分子受體高分子化的聚合物受體（PSMA）成膜性好、穩(wěn)定性好、小分子受體確定的分子量和光伏性能批次重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，在將來的聚合物太陽電池大面積制備和商業(yè)化應(yīng)用中具有重要應(yīng)用前景。該工作首次使用了“巨分子受體”（Giant Molecule Acceptor，GMA）這一名稱，對于推動聚合物太陽電池受體光伏材料的發(fā)展具有重要意義。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

（a）小分子受體ECOD和巨分子受體EV-i和EV-o的分子結(jié)構(gòu)；（b）受體材料溶液和薄膜的吸收光譜；（c）聚合物太陽電池相關(guān)材料的電子能級。