有機硼小分子受體材料

占肖衛

北京大學工學院材料科學與工程系，北京 100871

有機硼小分子受體材料的化學結構、吸收光譜和LUMO/HOMO分布

有機太陽能電池具有柔性、重量輕、溶液加工、成本低的突出優勢，適合未來在便攜式能源中應用，是當前的國際科學研究熱點1-4。有機太陽能電池以有機/高分子給體材料和受體材料的共混物作為光電活性層。受益于稠環芳烴類小分子受體材料的開發，近幾年來有機太陽能電池領域迅速發展，其單結器件的效率已經超過了 14%，展現了巨大的應用潛力3。

為了更好地吸收太陽光，把光能轉化為電能，活性層中的受體材料需要有寬的吸收光譜，以與太陽光光譜更好地重疊。已有的小分子受體材料都只有一個強的吸收峰，吸收光譜不夠寬，半峰寬約100 nm，限制了有機太陽能電池器件效率的進一步提升。因此，發展具有寬吸收光譜的有機小分子受體材料，對于未來提升有機太陽能電池的效率極限，具有重要意義。

有機硼化學為調控有機/高分子材料的光電性質、發展新型有機/高分子光電材料，提供了新手段5,6。中國科學院長春應用化學研究所劉俊等人，在前期工作中發現，用有機硼化學可以調控有機小分子的電子結構、產生兩個強吸收峰、實現寬吸收光譜7。在本文中，他們報道了一個有機硼小分子受體材料，并研究了硼原子上的側基對于分子的光電性質和器件性能的影響。

常見的小分子受體材料的最低未占據分子軌道(LUMO)和最高占據分子軌道(HOMO)都離域在整個骨架上，因此，其吸收光譜只有一個強的吸收峰。而實驗結果表明，該類有機硼小分子受體材料的LUMO離域在整個骨架上，HOMO定域在中心核上，獨特的電子結構使該分子具有兩個強的吸收峰，波長分別為490 nm (短波長區域)和726 nm (長波長區域)。因此，該分子具有寬的吸收光譜，表現出強的太陽光吸收能力。與苯基側基相比，噻吩側基使分子的HOMO能級下移0.1 eV，LUMO能級保持不變，進而引起分子帶隙增大和吸收光譜藍移 20 nm。基于該有機硼小分子受體材料的有機太陽能電池，實現了4.2%的能量轉化效率和300-850 nm的寬響應光譜。以上實驗結果已在物理化學學報上在線發表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201803163)8，該工作對于設計新型有機小分子光電材料，拓寬有機光伏材料的吸收光譜，提高有機太陽能電池的能量轉換效率，具有重要的啟發意義。