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  有機(jī)太陽能電池因具有質(zhì)量輕、成本低、可大面積制備和可溶液處理等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。在有機(jī)太陽能電池的發(fā)展過程中，活性層材料的研發(fā)對(duì)提高器件綜合性能具有重要的意義。傳統(tǒng)的有機(jī)太陽能電池主要是基于富勒烯衍生物電子受體材料展開的，但是該類受體材料由于合成成本高、結(jié)構(gòu)和能級(jí)不易調(diào)控等不足限制了其進(jìn)一步發(fā)展。近年來，具有拉電子單元-給電子單元-拉電子單元（A-D-A）結(jié)構(gòu)的非富勒烯小分子受體材料由于其結(jié)構(gòu)確定、能級(jí)及吸收范圍易調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)在推動(dòng)有機(jī)太陽能電池的發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用�；谠擃惙歉焕障┦荏w材料的器件通常有較低的能量損失和寬的光譜吸收范圍，從而具有更好的器件綜合效率。

  前期工作中，南開大學(xué)陳永勝教授課題組首次報(bào)道了基于苯并二噻吩（BDT）的稠環(huán)單元的小分子受體材料NFBDT，隨后對(duì)其中間單元和末端單元同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化報(bào)道了A-D-A型的小分子受體NCBDT，并獲得了超過12%的器件效率。

  近期，南開大學(xué)陳永勝教授課題組和中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所侯劍輝研究員課題組合作，通過對(duì)A-D-A型小分子受體材料的末端基團(tuán)進(jìn)行調(diào)控，設(shè)計(jì)并合成了以基于BDT的稠環(huán)結(jié)構(gòu)（CBDT）作為中間單元、以氯代氰基茚滿二酮作為末端單元的非富勒烯小分子受體材料NCBDT-4Cl（如圖所示）。末端拉電子的氯原子的引入使該分子具有較低的LUMO和HOMO能級(jí)，其光譜吸收范圍主要位于600-900 nm，通過吸收截止邊計(jì)算得到的光學(xué)帶為1.40 eV。從能級(jí)和光譜吸收匹配的角度出發(fā)，選用了由侯劍輝研究員團(tuán)隊(duì)報(bào)道的寬帶隙聚合物PBDB-T-SF作為電子給體材料。該聚合物具有較低HOMO能級(jí)，其與受體材料的HOMO能級(jí)差僅為0.18 eV，但是并不影響給體材料和受體材料之間的電荷產(chǎn)生過程；PBDB-T-SF的吸收光譜主要在450-700 nm，因此PBDB-T-SF:NCBDT-4Cl共混薄膜具有寬而有效的吸收范圍，利于所制備器件獲得高的短路電流密度。

  基于此，作者制備了以PBDB-T-SF:NCBDT-4Cl為活性層材料的正向器件，并對(duì)器件制備工藝進(jìn)行了探索優(yōu)化。器件在不經(jīng)過任何后處理時(shí)獲得了13.1%的能量轉(zhuǎn)換效率，這是目前文獻(xiàn)報(bào)道中不經(jīng)過后處理的最高器件效率；其開路電壓為0.885 V，能量損失僅為0.52 eV。隨后通過溶劑添加劑（DIO）和熱退火對(duì)器件進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)DIO的添加量為0.2%（v/v），再在110°C進(jìn)行熱退火10分鐘時(shí)，器件效率進(jìn)一步提高至14.1%，其中開路電壓為0.851 V，短路電流密度為22.35 mA cm-2，填充因子接近75%�；谠搩�(yōu)化器件的能量損失也僅為0.55 eV。通過AFM、TEM和GIXD測(cè)試分析并對(duì)比發(fā)現(xiàn)，器件性能的提高主要是由于更加優(yōu)化的活性層形貌和更高效的光電轉(zhuǎn)換過程。考慮到受體材料和給體材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)的多樣性，通過對(duì)材料結(jié)構(gòu)以及器件的優(yōu)化，進(jìn)一步降低器件的能量損失和拓寬活性層材料的吸收范圍，有助于實(shí)現(xiàn)有機(jī)太陽能電池效率的更大突破。

  該項(xiàng)成果以“A Chlorinated Low-Bandgap Small-Molecule Acceptor for Organic Solar Cells With 14.1% Efficiency and Low Energy Loss”為題，在線發(fā)表于Science China Chemistry（DOI: 10.1007/s11426-018-9334-9）。

  論文鏈接：http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCC/doi/10.1007/s11426-018-9334-9?slug=full%20text