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有機太陽能電池具有輕、薄、柔和可溶液加工等突出優點，是當前太陽能電池研究的熱點。隨著新型非富勒烯受體材料的快速發展，有機太陽能電池的能量轉換效率逐步提升，最近已達到16~17%的水平，達到了可以向實際應用發展的階段。但是，實現有機太陽能電池的商業化應用，目前還面臨著光伏材料成本和器件穩定性的挑戰。大多數高效光伏材料存在著結構復雜、合成步驟多、產率低等問題，導致材料成本較高，難以滿足商業應用的需求。因此開發低成本高效有機光伏材料是聚合物太陽能電池走向應用研究上的關鍵課題。  

  在國家自然科學基金委和中科院先導項目等的支持下，中科院化學所有機固體院重點實驗室李永舫課題組2018年設計和合成了一種以噻吩為給體（D）單元、氟取代喹喔啉為受體(A)單元的D-A共聚物PTQ10，該聚合物只需兩步合成，產率達到87.4%，表現出突出的低成本優勢。以PTQ10為給體、窄帶隙n-型有機半導體(n-OS)IDIC為受體的有機太陽能電池（OSC）的能量轉換效率（PCE）達到了12.7% ( Nature Commun., 2018. 9, 743.第一作者是博士生孫晨凱)，為當時的OSC最高效率之一。進而，他們開發了一種IDIC受體中心稠環簡化的合成方法，同時通過引入烷氧取代基提高了中心稠環的產率，合成了新的低成本n-OS受體分子MO-IDIC-2F。以PTQ10為給體、MO-IDIC-2F為受體的OSC的效率進一步提升到了13.46%。（Nat. Commun. 2019,10,519，第一作者是博士生李驍駿）。 

圖1. 給體聚合物PTQ10,PTQ11和受體分子TPT10的分子結構、電子能級及其光伏性能

  接著，他們對基于噻吩和喹喔啉的低成本D-A共聚物又進行了深入的研究。他們研究了氟取代的位置和數量對這類共聚物電子能級的影響以及使用Y6為受體的光伏性能的影響，發現噻吩單元上雙氟取代導致聚合物HOMO能級過低，與受體Y6的HOMO能級不匹配，雖然開路電壓有所提高，但是短路電流很低，整體光伏性能很差。喹喔啉單元上雙氟取代的PTQ10表現出最優的光伏性能，效率達到了16.21%. ( Adv. Mater., 2019, 31, 1905480，第一作者是博士生孫晨凱)。最近他們又通過在PTQ10的喹喔啉單元上引入甲基側鏈合成了一個新的低成本D-A共聚物PTQ11，同時通過將Y6末端的雙氟取代換成單溴取代合成了一個新的窄帶隙受體分子TPT10（PTQ11和TPT10的分子結構見圖1), 受體TPT10的LUMO和HOMO能級較Y6有所上移，受體LUMO能級上移有利于OSC開路電壓的提高，但是HOMO能級上移導致與給體PTQ10的HOMO能級不匹配。而PTQ11的HOMO能級因甲基的引入較PTQ10有所上移，使其HOMO能級與受體TPT10的HOMO能級持平（見圖1左下圖）。他們發現，雖然給體和受體的HOMO能級差為零，基于PTQ11:TPT10 的OSC仍獲得了16.32%的高效率（開路電壓V_oc = 0.88 V, 短路電流J_sc = 24.79 mA cm^-2，填充因子FF = 74.8 %）（圖1右下圖）。這一成果對于深入了解有機太陽能電池的激子電荷分離和傳輸機理、以及高效給體和受體光伏材料的分子設計具有重要意義。

  該成果發表在J. Am. Chem. Soc., 2020,142(3),1465-1474.上（第一作者是博士生孫晨凱，通訊作者是李永舫研究員，南京大學張春峰教授等合作測量了暫態吸收光譜，韓國Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)的 Changduk Yang課題組合作進行了GIWAXS形貌測量。） 

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b09939