占肖衛(wèi)

北京大學(xué)工學(xué)院材料科學(xué)與工程系，北京 100871

有機(jī)硼小分子受體材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、吸收光譜和LUMO/HOMO分布

有機(jī)太陽(yáng)能電池具有柔性、重量輕、溶液加工、成本低的突出優(yōu)勢(shì)，適合未來(lái)在便攜式能源中應(yīng)用，是當(dāng)前的國(guó)際科學(xué)研究熱點(diǎn)1-4。有機(jī)太陽(yáng)能電池以有機(jī)/高分子給體材料和受體材料的共混物作為光電活性層。受益于稠環(huán)芳烴類小分子受體材料的開(kāi)發(fā)，近幾年來(lái)有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域迅速發(fā)展，其單結(jié)器件的效率已經(jīng)超過(guò)了 14%，展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力3。

為了更好地吸收太陽(yáng)光，把光能轉(zhuǎn)化為電能，活性層中的受體材料需要有寬的吸收光譜，以與太陽(yáng)光光譜更好地重疊。已有的小分子受體材料都只有一個(gè)強(qiáng)的吸收峰，吸收光譜不夠?qū)?，半峰寬約100 nm，限制了有機(jī)太陽(yáng)能電池器件效率的進(jìn)一步提升。因此，發(fā)展具有寬吸收光譜的有機(jī)小分子受體材料，對(duì)于未來(lái)提升有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率極限，具有重要意義。

有機(jī)硼化學(xué)為調(diào)控有機(jī)/高分子材料的光電性質(zhì)、發(fā)展新型有機(jī)/高分子光電材料，提供了新手段5,6。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所劉俊等人，在前期工作中發(fā)現(xiàn)，用有機(jī)硼化學(xué)可以調(diào)控有機(jī)小分子的電子結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生兩個(gè)強(qiáng)吸收峰、實(shí)現(xiàn)寬吸收光譜7。在本文中，他們報(bào)道了一個(gè)有機(jī)硼小分子受體材料，并研究了硼原子上的側(cè)基對(duì)于分子的光電性質(zhì)和器件性能的影響。

常見(jiàn)的小分子受體材料的最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)和最高占據(jù)分子軌道(HOMO)都離域在整個(gè)骨架上，因此，其吸收光譜只有一個(gè)強(qiáng)的吸收峰。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該類有機(jī)硼小分子受體材料的LUMO離域在整個(gè)骨架上，HOMO定域在中心核上，獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)使該分子具有兩個(gè)強(qiáng)的吸收峰，波長(zhǎng)分別為490 nm (短波長(zhǎng)區(qū)域)和726 nm (長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域)。因此，該分子具有寬的吸收光譜，表現(xiàn)出強(qiáng)的太陽(yáng)光吸收能力。與苯基側(cè)基相比，噻吩側(cè)基使分子的HOMO能級(jí)下移0.1 eV，LUMO能級(jí)保持不變，進(jìn)而引起分子帶隙增大和吸收光譜藍(lán)移 20 nm。基于該有機(jī)硼小分子受體材料的有機(jī)太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)了4.2%的能量轉(zhuǎn)化效率和300-850 nm的寬響應(yīng)光譜。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果已在物理化學(xué)學(xué)報(bào)上在線發(fā)表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201803163)8，該工作對(duì)于設(shè)計(jì)新型有機(jī)小分子光電材料，拓寬有機(jī)光伏材料的吸收光譜，提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，具有重要的啟發(fā)意義。