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  聚合太陽能電池具有制備簡單、質量輕以及可制備柔性、半透明器件等突出優點。近年來，具有吸收、能級易調控且分子堆積性能優異的稠環n-型稠環有機半導體材料的發展極大推動了高效聚合物太陽能電池的發展�，F階段，聚合物太陽能電池仍存在器件能量損失(Eloss)大的瓶頸問題。高效無機和鈣鈦礦太陽能電池的能量損失通常為0.4~0.5 eV，而文獻報導的大部分高效有機太陽能電池的能量損失都大于0.6 eV。因此，如何降低器件的Eloss是進一步提高有機太陽能電池效率的關鍵。

  從光伏材料分子設計的角度，通過結構修飾調控給受體間的能級差來提高器件的開路電壓（Voc）是降低器件Eloss的有效方式。近年來，蘇州大學李永舫院士團隊的崔超華副教授等發展了運用烷硫鏈降低給體材料HOMO能級、提高器件Voc和PCE的分子設計策略，取得了一系列研究成果(Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2276–2284; Adv. Mater. 2015, 27, 7469–7475; Energy Environ. Sci. 2016, 9, 885–891; Energy Environ. Sci., 2019, 12, 675–683)。最近，他們協同運用烷硫鏈和主鏈扭曲的分子設計策略，設計合成了一種基于烷硫鏈取代噻吩π橋的窄帶隙稠環受體材料IE4F-S（如圖1），取得了優異的光伏性能。結果表明：將吸電子端基通過烷硫鏈取代噻吩的β位連接到共軛主鏈，可以扭曲端基平面與共軛主鏈的共平面性（圖2c），有效提高分子的LUMO能級；同時，噻吩π橋上烷硫鏈的引入可以降低分子的HOMO能級、拓寬吸收光譜、增強分子內的電荷轉移。

圖1. (a) IE4F-S和給體PBDB-T、PTQ10的結構式，(b) IE4F-S的合成步驟。

  將聚合物PTQ10作為給體材料與IE4F-S共混制備器件，盡管PTQ10和IE4F-S之間的HOMO能級差為零（如圖2b），電池器件仍取得了12.20%的能量轉換效率(PCE)，Voc高達0.996 V，器件的Eloss僅為0.47 eV。這是目前文獻報道的器件Eloss小于0.5 eV的能量轉換效率最高值。結果表明給受體間HOMO能級差為零時，電池器件仍能實現高的能量轉換效率。同時，將PBDB-T與IE4F-S共混制備器件，PCE高達13.72%，是目前基于PBDB-T器件的最高效率之一。

圖2. (a) 活性層材料的紫外-可見光吸收光譜，(b) 活性層材料的能級示意圖，(c) IE4F-S的前線軌道電子云分布，(d) IE4F-S的基態最優構象及各單元間扭轉角。

  以上成果發表于Chemistry of Materials (2019, doi: 10.1021/acs.chemmater.9b01175)。論文第一作者為蘇州大學材料與化學化工學部碩士生鄒巖，通訊作者為崔超華副教授，該研究成果得到了國家自然科學基金項目(51873140，51603136，91633301)的資助。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b01175