由前后两个单结有机太阳电池（OSC）串联组成的叠层有机太阳电池（叠层OSC），可以拓宽太阳光的利用范围，克服单结器件吸光范围有限以及热损耗等问题，从而获得更高的光电转换效率。然而由于叠层OSC中涉及的材料种类多，器件制备难度大，特别是目前缺乏高效的窄带隙光伏材料用于后结子电池，导致其发展仍然滞后于单结OSC。开发在近红外波段具有宽吸收以及高外量子效率的窄带隙光伏材料，对于实现高效的叠层OSC至关重要。另外，窄带隙有机光伏材料对于半透明OSC的发展也非常重要。
　　在国家自然科学基金委和科技部重点研发计划的支持下，中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室李永舫课题组最近在近红外吸收的窄带隙受体光伏材料的研究中取得重要进展。2017年他们在A-D-A类受体ITIC的中心稠环D-单元与末端A-单元之间再插入一个碳碳双键，拓宽了分子的吸收光谱（Chem. Mater. 2017, 29, 10130–10138. 第一作者是李骁骏博士）。最近，他们又将这一策略拓展到A-DA’D-A类窄带隙小分子受体Y6中，通过在Y6的稠环中心核和端基之间插入双键，设计并合成了一个新型窄带隙受体BTPV-4F（分子结构见图1(a)）。BTPV-4F的吸收较Y6进一步红移（图1(b)），其薄膜吸收边红移至1050 nm，能带宽度降低到1.21 eV。使用聚合物PTB7-Th为给体、BTPV-4F为受体、PC₇₁BM为第三组分的三元单结OSC的短路电流（J_sc）达到28.9 mA·cm^-2，能量转换效率（PCE）达到13.4％，其短路电流是迄今报道的OSC器件的最高值。
　　基于BTPV-4F在光学吸收和光伏性能方面展现出的优势，他们使用BTPV-4F为后结器件的受体构建了叠层OSC。他们根据理论模拟（见图1（c）），设计并合成了用于前结器件的带隙为1.6 eV的中等带隙受体m-DTC-2F（图1（d））。使用PM6：m-DTC-2F作为前结器件活性层，以PTB7-Th：BTPV-4F：PC₇₁BM作为后结器件活性层构建了叠层OSC。该叠层OSC表现出对300~1050 nm范围整个可见-近红外区太阳光谱的有效利用，并且两个子电池实现了相对低的电压损失，开路电压达到了1.65 V，光电转化效率达到16.4％（图2）。此外，基于BTPV-4F的OSC表现出优秀的光稳定性，在太阳光模拟器下光照500小时后，PCE值仍然可以保留至最初的91%。
　　这一成果近期发表在Nature Communication 上（Nat. Commun., 2021, 12,178，网站链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20431-6），文章的第一作者为博士生贾镇榕，共同第一作者为博士生秦书诚，通讯作者为中科院化学所孟磊研究员、美国北卡州立大学教授Harald Ade、中科院化学所李永舫研究员。
　　
　　图1 (a)受体BTPV-4F和Y6的分子结构（b）BTPV-4F和Y6薄膜的吸收光谱（c）模拟的叠层OSC前后结器件活性层的能带隙匹配（d）受体m-DTC-2F以及聚合物给体PTB7-Th和PM6的分子结构
　　
　　图2 叠层有机太阳电池的结构及光伏性能
　　
　　有机固体院重点实验室
　　2021年1月27日