有機(jī)太陽能電池具有質(zhì)輕、柔性、可溶液加工等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前太陽能電池技術(shù)的前沿?zé)狳c(diǎn)研究方向。隨著新型非富勒烯受體材料的快速發(fā)展，有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率逐步提升，最近已突破16%，達(dá)到了可以向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展的階段。但是，實(shí)現(xiàn)有機(jī)太陽能電池的商業(yè)應(yīng)用，還面臨著光伏材料成本和器件穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。目前已報(bào)道的高效光伏材料大多存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、合成步驟繁多、產(chǎn)率低等問題，在成本上很難滿足商業(yè)應(yīng)用的需求。因此開發(fā)低成本高效有機(jī)光伏材料是聚合物太陽能電池走向應(yīng)用研究的關(guān)鍵課題。

鑒于此，在國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目的支持下，中科院化學(xué)研究所有機(jī)固體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李永舫課題組去年設(shè)計(jì)和合成了一種低成本高效給體光伏材料PTQ10，以PTQ10為給體、窄帶隙n-型有機(jī)半導(dǎo)體(n-OS)IDIC為受體的有機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了12.7%(Nature Commun., 2018. 9, 743.,第一作者是博士生孫晨凱)。然而，n-OS受體IDIC存在其中心稠環(huán)合成步驟多、產(chǎn)率低的問題。為了降低受體材料IDIC的合成成本，他們又開發(fā)了一種IDIC中心稠環(huán)簡(jiǎn)化的合成方法，同時(shí)通過引入烷氧取代基進(jìn)一步提高了中心稠環(huán)的產(chǎn)率，進(jìn)而合成了兩個(gè)新的低成本n-OS受體分子MO-IDIC和MO-IDIC-2F(合成路線見圖1)。這兩個(gè)受體分子具有窄帶隙、寬吸收和高電子遷移率等優(yōu)點(diǎn)。其中將MO-IDIC-2F與低成本聚合物給體PTQ10共混制備的有機(jī)太陽能電池效率達(dá)到13.46%。他們對(duì)已報(bào)道的高效材料進(jìn)行了活性層材料的成本核算，發(fā)現(xiàn)基于PTQ10：MO-IDIC-2F的太陽能電池?zé)o論是在材料成本還是器件性價(jià)比上都具有突出的優(yōu)勢(shì)(見圖2)。以上結(jié)果表明MO-IDIC-2F是一個(gè)具有應(yīng)用潛力的低成本受體材料。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《自然-通訊》上(Nat. Commun. 2019,10,519，第一作者是博士生李驍駿)。

圖1 IDIC受體中心稠環(huán)核的合成路線簡(jiǎn)化和優(yōu)化

 

圖2 已報(bào)道的聚合物太陽電池中材料合成步驟、成本與效率的對(duì)比分析圖