南开大学化学学院陈永胜

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有机太阳能电池因其成本低、质量轻、可大面积印刷、柔性等优点，展示出重要的应用前景。近年来，有机太阳能电池的研究进展迅速，实验室器件效率不断刷新。这主要归功于新型活性层材料的设计合成，特别是基于A-D-A (受体-给体-受体)结构的活性层材料，其吸收光谱和能级等性能可以有效调控，极大推动了有机光伏领域的发展。根据相关理论，有机太阳能电池的效率仍有巨大的提升空间，而活性层材料的设计依然起到关键作用。现有活性层材料，多数分子其截止吸收大约在900 nm左右，对900 nm以上近红外区的太阳光吸收利用不足，导致其电流密度受限，进而影响其器件效率。因此，设计具有窄带隙的近红外光区的分子，对于提升太阳能电池短路电流密度和器件效率具有重要意义。

南开大学陈永胜教授团队基于受体中间核IDTT，通过向其并噻吩单元中间引入吡喃环的策略，设计合成了基于引达省并二噻吩吡喃的近红外光区有机受体分子IDTO2HT-2F。吡喃环的引入提高了分子中间核的给电子能力，使分子的最高占有轨道能级（HOMO）显著提升，带隙变窄，吸收光谱发生红移，其截止吸收波长达到956 nm，有利于其对太阳光的充分利用，提高短路电流密度。最终， 以IDTO2HT-2F为受体材料、PM6为给体材料制备的太阳能电池器件，获得了10.85%的能量转化效率并具有高达20.61 mA cm−2的短路电流密度。该工作提供了一种拓宽分子吸收光谱范围，提高短路电流密度的有效方法，相信基于这种设计思路，通过进一步的分子设计与器件优化，可以获得更高效率的有机太阳能电池。
上述工作已发表在《高分子学报》2020年第2期(DOI: 10.11777/j.issn1000-3304.2019.19131)，并作为期刊封面介绍，第一作者是南开大学化学学院博士研究生柯鑫，通讯作者为南开大学化学学院陈永胜教授。研究工作获得了科技部、国家自然科学基金委、天津市科委和南开大学的大力支持。