有机硼小分子受体材料

占肖卫

北京大学工学院材料科学与工程系，北京 100871

有机硼小分子受体材料的化学结构、吸收光谱和LUMO/HOMO分布

有机太阳能电池具有柔性、重量轻、溶液加工、成本低的突出优势，适合未来在便携式能源中应用，是当前的国际科学研究热点1-4。有机太阳能电池以有机/高分子给体材料和受体材料的共混物作为光电活性层。受益于稠环芳烃类小分子受体材料的开发，近几年来有机太阳能电池领域迅速发展，其单结器件的效率已经超过了 14%，展现了巨大的应用潜力3。

为了更好地吸收太阳光，把光能转化为电能，活性层中的受体材料需要有宽的吸收光谱，以与太阳光光谱更好地重叠。已有的小分子受体材料都只有一个强的吸收峰，吸收光谱不够宽，半峰宽约100 nm，限制了有机太阳能电池器件效率的进一步提升。因此，发展具有宽吸收光谱的有机小分子受体材料，对于未来提升有机太阳能电池的效率极限，具有重要意义。

有机硼化学为调控有机/高分子材料的光电性质、发展新型有机/高分子光电材料，提供了新手段5,6。中国科学院长春应用化学研究所刘俊等人，在前期工作中发现，用有机硼化学可以调控有机小分子的电子结构、产生两个强吸收峰、实现宽吸收光谱7。在本文中，他们报道了一个有机硼小分子受体材料，并研究了硼原子上的侧基对于分子的光电性质和器件性能的影响。

常见的小分子受体材料的最低未占据分子轨道(LUMO)和最高占据分子轨道(HOMO)都离域在整个骨架上，因此，其吸收光谱只有一个强的吸收峰。而实验结果表明，该类有机硼小分子受体材料的LUMO离域在整个骨架上，HOMO定域在中心核上，独特的电子结构使该分子具有两个强的吸收峰，波长分别为490 nm (短波长区域)和726 nm (长波长区域)。因此，该分子具有宽的吸收光谱，表现出强的太阳光吸收能力。与苯基侧基相比，噻吩侧基使分子的HOMO能级下移0.1 eV，LUMO能级保持不变，进而引起分子带隙增大和吸收光谱蓝移 20 nm。基于该有机硼小分子受体材料的有机太阳能电池，实现了4.2%的能量转化效率和300-850 nm的宽响应光谱。以上实验结果已在物理化学学报上在线发表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201803163)8，该工作对于设计新型有机小分子光电材料，拓宽有机光伏材料的吸收光谱，提高有机太阳能电池的能量转换效率，具有重要的启发意义。