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  韓國科學技術研究所（KIST）Hae Jung Son博士等人近期報道了一種D1-A-D2-A結構的無規三元共聚物，包括2,2''-聯噻吩及不同比例的5,6-二氟-4,7-雙（噻吩-2-基）-2,1,3-苯并噻二唑（2FBT-2T）和5,6-二氟-2,1,3-苯并噻二唑（FBT）。他們發現，引入小比例的FBT不僅可以保持D-A共聚物FBT-Th4的高結晶度和良好的face-on取向，還可改善體相異質結薄膜的納米級相分離。基于無規三元共聚物PDT2fBT-BT10的太陽能電池效率高達10.31%，而基于FBT-Th4的電池效率僅為8.62%。此外，這種無規共聚物具有良好的可加工性并可抑制過度聚集，基于351 nm的PDT2fBT-BT10體相異質結厚膜的有效面積1 cm2的光伏器件，效率高達9.42%。這一研究表明這種無規三元共聚物可用于大面積和體相異質結厚膜光伏器件。

圖1. 聚合物的合成示意圖。圖片來源：Adv. Energy Mater.

  作者通過控制投料比，合成了如圖1所示的四種聚合物。并利用高溫凝膠滲透色譜法（GPC）測試了幾種聚合物的分子量，Mn分別為44.1、55.5、46.7、57.6 kg/mol?1。

  作者隨后進行了光學和電化學性質測試。如圖2a與2b，可以看出PDT2fBT-BT10從溶液到薄膜的吸收紅移更明顯，這也說明少量的FBT可以確保聚合物鏈是無規的，這意味著溶解性比較好，而且在薄膜中可以形成較好的堆積。與其他聚合物相比，PDT2fBT-BT10的溶解性最好，而進一步增加FBT的含量不能明顯增加溶解性（圖2c）。這種效應可能是因為用FBT替代了2FBT-2T后，會降低烷基鏈的數目。隨著FBT成分增大其HOMO變深（圖2d），這是由于FBT成分增加后相當于受體比例增加，使得HOMO變深。

圖2. （a） 幾種聚合物在溶液下的吸收；（b） 幾種聚合物在薄膜下的吸收；（c） 隨著丙腈組分的增加vs.溶液吸收邊占氯苯溶液吸收邊的比例；（d） 幾種聚合物的電化學測試曲線。圖片來源：Adv. Energy Mater.

  作者以這幾種聚合物材料制備有機太陽能電池器件并測試了它們的性能。如圖3及表1所示是幾種材料不同面積器件的參數數據，可以明顯看出PDT2fBT-BT10的效率在所有材料中是最好的。這充分證明了無規共聚的有效性。從小面積過渡到大面積，器件的短路電流密度與填充因子會隨之降低。

圖3. （a/b） 0.2 cm2器件的J-V曲線及EQE曲線；（c） 1 cm2器件的J-V曲線; （d） FBT-Th4與PDT2fBT-BT10兩種材料的效率分布；（e） 不同材料不同面積的FF分布。圖片來源：Adv. Energy Mater.

表1. 器件參數表。圖片來源：Adv. Energy Mater.

  此外，大面積器件中PDT2fBT-BT10對比FBT-Th4展現出了明顯的優勢（圖4a）。PDT2fBT-BT10隨著膜厚度的增加，效率變化并不明顯，相比之下FBT-Th4隨著厚度的增加出現了明顯的效率下降（圖4b）。同樣，PDT2fBT-BT10隨著膜厚度的增加，短路電流密度和填充因子幾乎不變，而FBT-Th4隨著厚度的增加這兩個參數都出現了下降（圖4c、d）。對于1 cm2的大面積器件，膜厚為351 nm時，基于PDT2fBT-BT10器件的效率仍然可以大于9%（圖4e）。

圖4. （a） 1 cm2器件的效率分布圖；（b） 隨著膜厚改變FBT-Th4與PDT2fBT-BT10的效率變化；（c） 隨著膜厚改變兩個材料的電流變化；（d） 隨著膜厚改變兩個材料的FF變化；（e） 351 nm膜厚、活性層1 cm2的器件效率。圖片來源：Adv. Energy Mater.

  總之，Hae Jung Son博士等作者利用巧妙的無規共聚，使得聚合物達到溶解性、薄膜堆積等各方面的平衡且綜合性能最優，可以用于制備大面積太陽能電池器件。而且這種無規共聚物相異質結膜對于厚度不敏感，與器件的大規模印刷制備非常切合。本文的材料設計——合成——性能思路清晰，為以后進一步的材料設計提供了重要借鑒。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201701405/abstract