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  聚合物太陽電池由于具有質輕，柔性以及可大面積加工等優勢受到了學術界和工業界的廣泛關注。過去十多年，科學家們通過合理設計活性層材料，精細優化器件結構，改進制備工藝，優化微觀形貌結構以及對有機光伏相關物理機制的研究等方式來不斷突破聚合物有機太陽電池的光電轉換效率。本體異質結電池和疊層電池結構的光電轉化效率都超過12%。但是目前已報道的大多數高效率的活性層材料，其在制備光伏器件時的最優膜厚都僅在100 nm左右，這不利于將來工業生產采用“卷對卷” (roll-to roll) 技術大規模制備大面積器件。至今，僅少量文獻報道共軛聚合物材料能夠在300 nm膜厚保持較高的效率，因此，需要優先考慮設計能滿足厚膜加工的有機聚合物太陽電池材料，這樣才能滿足加工技術的要求，從而面向未來大規模生產和商業化應用。

  華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室黃飛教授課題組一直致力于高效厚膜活性層材料設計及光伏性能等方面研究，提出了將萘二并噻二唑單元與高遷移率的有機場效應晶體管材料相結合的設計思路，保證了對太陽光強的吸收，并且具有較高的遷移率，能夠在較厚的活性層中實現電荷的高效分離并形成載流子產生光電流。

圖1. 聚合物NT812的結構式及以鄰二甲苯作為旋涂溶劑制備器件的J-V曲線

  在2016年，黃飛教授課題組報道了基于（3-烷基噻吩-2-基）噻吩并[3,2-b]噻吩（BTTT）作為給體單元，萘二并噻二唑（NT）作為受體單元的新型D-A窄帶隙共軛聚合物，如圖1所示。系統研究了烷基鏈及器件結構對器件光伏性能的影響，發現基于較短烷基鏈的聚合物NT812的器件，在活性層厚度約300 nm時，使用鹵素溶劑或者環境友好型溶劑作為旋涂溶劑，光電轉換效率都達到10%以上；并且當活性層厚度達到1μm時，器件依然維持在8%以上的光電轉換效率。這項研究工作為高效厚膜活性層材料的設計提供了一種新的策略。

  為了進一步提高器件光伏效率，最近黃飛教授課題組在NT812結構基礎上進行修飾優化，設計合成了聚合物PNTT和PNTBDT，如圖2所示。并且系統研究了分子量與器件光伏性能的關系。其中基于分子量最大的PNTT-H的器件效率在活性層厚度280 nm時達到11.35%，并且器件性能對活性層厚度不敏感，活性層厚度在660 nm以內，效率仍保持在10%以上，厚度達1050 nm時，器件效率依然保持在9%以上。基于PNTBDT的器件性能在活性層厚度約300 nm時也維持10%以上。這些研究表明構筑基于萘二并噻二唑單元的材料非常適合應用于厚膜有機高效太陽電池領域。

圖2. (a)聚合物PNTT和PNTBDT的化學結構式；(b)基于PNTT-H正裝器件不同活性層厚度與器件效率、短路電流的曲線關系；(c)聚合物PNTT和PNTBDT的J-V曲線；(d)聚合物PNTT和PNTBDT的EQE曲線

  以上相關成果以《A Novel Naphtho[1,2-c:5,6-c′]Bis([1,2,5]Thiadiazole)-Based Narrow-Bandgap π-Conjugated Polymer with Power Conversion Efficiency Over 10%》和《Thick Film Polymer Solar Cells Based on Naphtho[1,2-c:5,6-c]bis[1,2,5]thiadiazole Conjugated Polymers with Efficiency Over 11%》為題分別發表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2016, 28, 9811-9818)和Advanced Energy Materials（Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700944）上。博士生金耀城為上述論文的第一作者。相關工作得到了國家科技部，國家自然科學基金和廣東省科技廳的資助。

  論文鏈接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603178/full

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201700944/full