近日，國家納米科學中心納米系統與多級次製造重點實驗室魏志祥研究員、呂琨研究員、朱淩雲研究員和山東大學郝曉濤教授合作，設計合成了兼具低能量損失和高能量轉換效率的非富勒烯小分子受體資料。結果表明，通過降低受體在光電轉換過程中的重組能，可以有效降低非輻射複合和驅動激子解離引起的能量損失，在開路電壓（VOC）高於0.93 V的情况下，效率仍可高達18.2%，能量損失低至0.48 eV。這是迄今為止文獻報導的效率超過17%的二元有機光伏體系中最小的能量損失。相關研究成果發表在Nat.Commun.，2022，13，3256上。
有機太陽能電池（OSCs）因其重量輕、可溶液加工、半透明以及柔性等優點而受到廣泛關注。隨著資料設計的不斷深入和器件工藝的不斷優化，基於Y-體系的非富勒烯受體的OSCs的效率在二元器件中已達到18%以上，在三元器件中已達到19%以上。然而，與無機和鈣鈦礦太陽能電池相比，OSCs的能量損失（電壓損失）相對較大，成為限制OSCs光伏效能的瓶頸因素。現時，大多數高性能OSCs的開路電壓仍被限制在0.8~0.9 V，能量損失普遍大於0.5？eV。囙此，為了進一步提高OSCs的效率，有必要深入瞭解能量損失的來源，並通過合理的分子設計進一步降低能量損失。
OSCs的能量損失主要來自兩個方面：激子解離需要的驅動力和非輻射複合。非輻射複合與電子-振動耦合有關（即重組能λ，它描述了電子轉移過程中分子幾何形狀的變化，反映了電子與分子內振動之間的相互作用）。重組能在OSCs的整個光電轉換過程中起著至關重要的作用，小的重組能不僅有助於抑制非輻射符合，還可以减小激子解離所需的驅動力。最近，該課題組以Y型非富勒烯受體為分子骨架，將苯並噻唑（BT）五元環核替換為喹喔啉（Qx）六元環核，設計合成了非富勒烯小分子受體Qx-1和Qx-2。通過理論計算與薄膜形貌、激子和電荷動力學結果表明，這兩種受體在光電轉換過程中的重組能比Y6顯著降低，從而有利於提高激子壽命和擴散長度，促進電荷傳輸，抑制電荷複合帶來的能量損失。以聚合物PM6為給體，Qx-1和Qx-2為受體的二元有機光伏體系的能量損失分別降低到0.508 eV和0.482 eV，且兩種體系的VOC均達到0.9 V以上，同時能量轉換效率達到18%以上。該工作揭示了减小重組能對於降低OSCs能量損失的重要性，從而為進一步提高OSCs的效率提供了一種新策略。
國家納米科學中心博士研究生史雅囡和常藝琳為文章的共同第一作者，國家納米科學中心呂琨研究員、山東大學郝曉濤教授，國家納米科學中心朱淩雲研究員和魏志祥研究員為通訊作者，同時感謝西安交通大學馬偉教授、北京師範大學薄志山教授、徐新軍教授對上述工作的幫助。該成果得到了國家自然科學基金委，中國科學院戰略性先導專項、CAS-CSIRO聯合項目的支持。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30927-y
a）Y6、Qx-1和Qx-2受體的化學結構；b）光電轉換過程中，不同電子態之間相互躍遷的重組能變化示意圖；c）理論計算的三個受體中不同電子態之間相互躍遷的重組能；d）效率統計分佈圖；e）不同體系能量損失與效率統計圖。