效率为4%的苝二酰亚胺基非富勒烯有机太阳能电池

　　有机光电转换材料包括给体和受体材料，目前，在有机太阳电池中，广泛使用的受体材料是富勒烯衍生物——PC61BM和PC71BM。以PCBM为受体，通过设计给体材料、加工工艺和器件结构，有机太阳电池的效率已提高到了10%左右。与给体材料的设计同步，科学家也非常希望能够用有机受体材料取代PCBM，有机受体材料可否取代PCBM？近几十年来，这个问题没有得到回答，因为，没有高效率的有机受体材料出现，基于有机受体材料的非富勒烯基有机太阳电池的效率仅为2%左右。 

　　苝二酰亚胺（PDI）是传统的n-型有机半导体材料，具有优异的光电性能。传统的PDI衍生物有非常强的聚集倾向，形成尺寸大小大大超过激子扩散长度(5-20 nm)的聚集体，这限制了PDI衍生物在光伏领域的应用。中科院化学所的研究人员在发现了PDI腰位溴代反应的取代基定位效应（Tetrahedron, 2013, 69 (38), 8155-8160和Tetrahedron Lett., 2012, 53 (9), 1094-1097）后，用一个桥联芳香单元将两个PDI单元通过其腰位共价偶联，并在PDI单元的另一侧腰位上引入亲水侧链，合成得到了一系列溶液可加工的PDI二聚体基小分子受体材料。由于分子骨架上共价偶联的芳香单元间的空间位阻效应，二聚体分子形成扭曲构型。延长成膜时间，有助于二聚体分子通过立体匹配方式，形成有利于电子传输的有序堆积结构（Polym. Chem., 2013, 4 (17), 4631- 4638）。以聚合物BDTTT-C-T为给体材料，通过单体与二聚体的对比研究，证实了扭曲构型可以有效地减弱分子的聚集倾向，改善与给体材料的相容性，得到了4.03%的高效率，这一结果首次将非富勒烯基有机太阳电池的效率提高到4%以上，说明结合有机受体材料的分子结构设计和给受体材料组合的优势，有机受体材料是很有可能取代PCBM的，相关结果发表在Adv. Mater., 2013, 25 (40), 5791-5797上。 　　

  　利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1A-漫散射实验站的GIXRD实验技术，他们获得了与材料分子在活性层中的取向和排列方式密切相关的微观结构信息：在活性层中，给体和受体分子均采取面内和面外的取向方式，其中，面外取向的分子排列方式有助于载流子沿垂直于电极表面的方式传输，有助于光电流的产生。这些结构信息有助于深入理解材料的结构与性能关系。

　　因为材料分子在光伏薄膜中的取向和排列方式不仅与材料的分子结构密切相关，更重要的是它们在很大程度上决定了材料的光电转换效率。随着分子结构的改变，同步辐射所给出的信息包含了材料分子取向和排列方式的改变，更强的同步辐射光束并准确地解析这些信息必定有助于我们准确地关联纳米结构与分子结构及器件性能。

 　发表文章： 

　　Xin Zhang, Zhenhuan Lu, Long Ye, Chuanlang Zhan*, Jianhui Hou*, Shaoqing Zhang, Bo Jiang, Yan Zhao, Jianhua Huang, Shanlin Zhang, Yang Liu, Qiang Shi, Yunqi Liu and Jiannian Yao*, A Potential Perylene Diimide Dimer Based Acceptor Material for Highly Efficient Solution-Processed Non-Fullerene Organic Solar Cells with 4.03% Efficiency, Adv. Mater. 2013, 25 (40), 5791-5797.