作为新兴光伏技术之一，有机光伏充分利用有机半导体的柔韧性、易印刷加工、半透明/隔热、多显色度等优势，可与传统硅基光伏电池形成优势互补、广泛应用于建筑、车载等一体化工程。近日，香港城市大学的任廣禹（Alex K.-Y. Jen）教授团队通过调控有机半导体的侧基共轭长度，发现短波可见光波段吸收与单线态-三线态能隙存在本征内在关联，由此制备了高效的环境友好型有机光伏器件。

由共轭芳杂环构成的有机半导体具有分子前沿轨道和光学禁带带隙易调控的特性，因此可通过优化化学结构降低光学带隙，以此增强长波段可见光及近红外太阳光的吸收和利用，从而提升光伏器件的短路电路密度。因此具有较强长波段吸收特性的有机半导体（尤其是非富勒烯型电子受体）得到了广泛研究，而短波段可见光的吸收特性却鲜有人关注。

图1. 含不同共轭侧基的有机半导体的化学结构（上），以及单分子（左下）和聚集态（右下）的短波段吸收差异。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

香港城市大学团队开发了具有不同长度共轭侧基的非富勒烯受体，发现延长侧链共轭可显著提升单分子以及聚集态的短波段吸收，同时不损失长波段吸收能力（图1）。通过时间依赖的密度泛函计算，证实延长共轭导致的分子前沿轨道的重叠度减弱以及第一单线态激发态的比重降低是主要诱因。同时，理论模拟表明延长侧链共轭可降低分子的单线态-三线态能隙（图2），主要源于分子的不对称度显著增加。最终，基于延长共轭分子的二元光伏器件在采用绿色溶剂加工时实现18.5%的优异功率转换效率。该工作表明，可通过有机半导体局部共轭结构的合理设计，同时提升短波段吸收能力和降低单线态-三线态激发态能隙，实现有机光伏器件的短路电流密度和开路电压的同步提升。

图2. 含不同共轭侧基的有机半导体（左：较短共轭侧基；右：较长共轭侧基）的激发态能级排列以及自旋-轨道耦合常数。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

这一成果“Correlation of Broad Absorption Band with Small Singlet-Triplet Energy Gap in Organic Photovoltaics”近期发表在《德国应用化学》期刊上（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202311559）。

（摘自X-MOL）