最近，中國科大微尺度物質科學國家研究中心羅毅教授領導的研究小組江俊教授利用第一性原理計算，提出了首個自適應開關的有機分子太陽能電池設計，該方案具有低成本、高效、自適應的優點。相關成果以“Self-adaptive switch enabling complete charge separation in molecular-based optoelectronic conversion”為題，發表在《物理化學快報》（Journal of Physical Chemistry Letters）。 

 

　　太陽能電池是極其前景的新能源技術。基于有機分子的太陽能電池具有諸多優點，例如，材料來源廣泛、價格便宜、工藝簡單、柔韌性好、易于大規模生產、輕薄柔軟易攜帶，而且可降解，對環境污染小。然而，長期以來有機分子太陽能電池的光電轉換效率不高，與無機半導體太陽能電池相比仍有較大差距。這是由于光能被有機分子吸收后，雖然會發生從給體部分到受體的電荷轉移，但有機分子的載流子遷移率較低，含能的激發態電子往往被束縛在同一個小分子里，使得未經徹底分離的電子和空穴很容易發生復合，從而大大降低了最終的光電轉換效率。 

 

　　江俊課題組長期深耕于光電功能分子和光催化體系設計與模擬領域，聚焦于電子運動這一關鍵主線，基于第一性原理模擬進行結構設計以調控電子被光激發后演化行為（Nature Commun. 2017, 8:16049; J. Phys. Chem. Lett. 2016,7,1750）。而在這次的單分子有機太陽能電池中，光開關分子偶氮苯被插入到一個典型的給體-受體體系（三聯吡啶鉑配合物）中，組成一個給體-光開關-受體體系。第一性原理計算表明，該分子具有平面共軛構型，可以吸收可見光，產生的受激電子會從偶氮苯和給體迅速轉移到能級更低的受體上（如圖所示，時間約為2 皮秒）；而失去電子的偶氮苯分子順反異構勢壘會降低，從而自發發生從反式到順式的構型轉換（時間尺度為皮秒-納秒量級）；分子構型轉變導致體系的共軛結構被破壞，導電性也大大降低，受體上的含能受激電子無法回到偶氮苯和給體，于是電子和空穴分別被儲存在受體和給體上，實現了高效的電荷分離（激發態壽命為微秒量級）；當受激電子被消耗（流入電極）之后，分子回到基態，此時的偶氮苯仍處于順式構型，由于偶氮苯自身的特性，順式分子能夠吸收可見光轉換回到反式構型，并開始下一輪循環。

 

　　這一研究體系通過巧妙的設計抑制了有機太陽能電池中的電荷復合過程，實現了高效的電荷分離和分子導電性的自動切換，是首個自適應開關的有機太陽能電池設計。文中所報道的給體-光開關-受體體系不僅僅局限于偶氮苯和三聯吡啶鉑配合物分子，其他光開關分子和給體-受體體系也可以用于這一復合體系中。這一設計采用有機物小分子作為材料，解決了有機太陽能電池中容易發生電荷復合和導電性無法切換的問題，為低成本、易合成的有機分子體系大規模用于太陽能電池、光催化等領域打開了大門。 

 

　　該論文第一作者為化學院博士生伍子夜，崔鵬和張國楨博士為并列一作，江俊為通訊作者。相關工作得到了科技部青年973項目、國家自然科學基金、中國科學院先導項目的資助。