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  隨著非富勒受體材料的發展，有機太陽能電池的光電轉換效率已經高達13%，其中短路電流高達18-25 mA cm-2，填充因子多在65-75%之間，但是相應的開路電壓卻多低于1V,這也成為限制光電轉換效率進一步提高的主要瓶頸。此外，高電壓電池可以用于串聯電池中，以便獲得高于2V的開路電壓，為水分解制備氧氣與氫氣提供足夠的電壓，促進太陽能驅動水分解的發展。

  高的電壓損失（30.6 V）是導致有機太陽能電池開路電壓較低的主要原因。原則上講，開路電壓與給體材料的最高占有軌道（HOMO）能級和受體材料的最低未占軌道（LUMO）能級差息息相關。因此，降低給體材料的HOMO能級或者提高受體材料的LUMO能級可以有效地降低器件的能量損失，從而實現高電壓。但是實際上，開路電壓的提高往往伴隨著短路電流的降低，這也導致開路電壓高于1.1V，光電轉換效率高于8%的器件仍然屈指可數。因此，深入研究其中的結構性能關系是十分必要。根據分子軌道理論，當材料中含有相同的給電子和吸電子的構筑單元時，其產生的材料具有相近的分子能級（如圖（1））。采用相同的構筑單元分別設計給受體材料，有助于獲得具有相近HOMO和LUMO能級的給受體材料，從而極大地降低器件的能量損失。

圖（1）：材料的分子能級與開路電壓和短路電流關系示意圖以及他們設計給受體材料采用的構筑單元。

基于上述設計思想，國家納米科學中心周二軍課題組和瑞典林雪平大學高峰課題組合作，利用相同的缺電子單元（苯并三氮唑BTA）作為構筑單元分別設計給體材料和受體材料，用于實現相近的LUMO能級。如圖（2）所示，給體材料J61由苯并二噻吩衍生物（BDT）作為給電子單元和二氟取代的苯并三氮唑（BTA）作為缺電子單元，噻吩作為橋聯單元偶聯得到。受體材料BTA2，BTA1和BTA3是采用引達省并二噻吩（IDT）作為中間的給電子單元， BTA單元作為橋連單元，噻唑烷二酮（BTA2），繞丹寧（BTA1），雙氰基繞丹寧（BTA3）分別作為封端單元，偶聯得到。前期的工作已經證明，BTA1 （Adv. Energy Mater.  2017, 7, 1602269.） 和BTA2 （ACS Macro Lett. 2017, 6, 410.）是一種理想的小分子受體材料，和經典的聚-3-己基噻吩（P3HT）共混，分別能夠實現1.02 V和1.22V的開路電壓。

圖（2）：他們設計的給受體材料以及相應的開路電壓和器件效率。

  在該工作中，不同的封端單元可以微調受體材料的LUMO能級，便于進一步研究電壓損失與電荷分離驅動力的關系。通過各項實驗表征，給、受體材料之間的LUMO能級差分別為：0.05, 0.21, 0.35 eV，HOMO能極差分別是0.11, 0.14, 0.17 eV，相應的能量損失分別為：0.64，0.61，0.62 V。最終獲得高開路電壓分別為1.30，1.26，1.14 V。通過電致發光實驗獲得電荷驅動力分別是0.03，0.07，0.11 eV，其中，只有J61：BTA3 的器件具有足夠的電荷驅動力，可以實現激子的有效分離，獲得65%的外量子效率，最終表現出8.25% 的光電轉換效率。（Adv. Funct. Mater.,2017, DOI: 10.1002/adfm.201704507）實驗表明通過能級的微調可以同時實現材料的高開路電壓和高短路電流，從而獲得高效率的電池器件。該項工作證明，基于相同的缺電子單元設計相應的給受體材料，是一種簡單有效的實現超高開路電壓的方法。同時，也進一步證實苯并三氮唑（BTA）是一種構建小分子受體材料的理想單元。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201704507/abstract