由前後兩個單結有機太陽電池（OSC）串聯組成的疊層有機太陽電池（疊層OSC），可以拓寬太陽光的利用範圍，克服單結器件吸光範圍有限以及熱損耗等問題，從而獲得更高的光電轉換效率。然而由於疊層OSC中涉及的材料種類多，器件製備難度大，特別是目前缺乏高效的窄帶隙光伏材料用於後結子電池，導致其發展仍然滯後於單結OSC。開發在近紅外波段具有寬吸收以及高外量子效率的窄帶隙光伏材料，對於實現高效的疊層OSC至關重要。另外，窄帶隙有機光伏材料對於半透明OSC的發展也非常重要。

在國家自然科學基金委和科技部重點研發計劃的支援下，中國科學院化學研究所有機固體院重點實驗室李永舫課題組最近在近紅外吸收的窄帶隙受體光伏材料的研究中取得重要進展。2017年他們在A-D-A類受體ITIC的中心稠環D-單元與末端A-單元之間再插入一個碳碳雙鍵，拓寬了分子的吸收光譜（Chem. Mater. 2017, 29, 10130–10138. 第一作者是李驍駿博士）。最近，他們又將這一策略拓展到A-DA’D-A類窄帶隙小分子受體Y6中，透過在Y6的稠環中心核和端基之間插入雙鍵，設計併合成了一個新型窄帶隙受體BTPV-4F（分子結構見圖1(a)）。BTPV-4F的吸收較Y6進一步紅移（圖1(b)），其薄膜吸收邊紅移至1050 nm，能頻寬度降低到1.21 eV。使用聚合物PTB7-Th為給體、BTPV-4F為受體、PC71BM為第三組分的三元單結OSC的短路電流（Jsc）達到28.9 mA·cm-2，能量轉換效率（PCE）達到13.4％，其短路電流是迄今報道的OSC器件的最高值。

圖1 (a)受體BTPV-4F和Y6的分子結構（b）BTPV-4F和Y6薄膜的吸收光譜（c）模擬的疊層OSC前後結器件活性層的能帶隙匹配（d）受體m-DTC-2F以及聚合物給體PTB7-Th和PM6的分子結構

基於BTPV-4F在光學吸收和光伏效能方面展現出的優勢，他們使用BTPV-4F為後結器件的受體構建了疊層OSC。他們根據理論模擬（見圖1（c）），設計併合成了用於前結器件的帶隙為1.6 eV的中等帶隙受體m-DTC-2F（圖1（d））。使用PM6：m-DTC-2F作為前結器件活性層，以PTB7-Th：BTPV-4F：PC71BM作為後結器件活性層構建了疊層OSC。該疊層OSC表現出對300~1050 nm範圍整個可見-近紅外區太陽光譜的有效利用，並且兩個子電池實現了相對低的電壓損失，開路電壓達到了1.65 V，光電轉化效率達到16.4％（圖2）。此外，基於BTPV-4F的OSC表現出優秀的光穩定性，在太陽光模擬器下光照500小時後，PCE值仍然可以保留至最初的91%。

圖2 疊層有機太陽電池的結構及光伏效能

這一成果近期發表在Nature Communication 上（Nat. Commun., 2021, 12,178），文章的第一作者為博士生賈鎮榕，共同第一作者為博士生秦書誠，通訊作者為中科院化學所孟磊研究員、美國北卡州立大學教授Harald Ade、中科院化學所李永舫研究員。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20431-6