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  近年來，有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）已經(jīng)超過13%，但當(dāng)前效率對于實現(xiàn)有機太陽能電池工業(yè)化生產(chǎn)仍然不夠。制約有機太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的因素有：活性層形貌調(diào)控、給受體能級匹配以及活性層光譜吸收強度等。

  針對上述問題，陳義旺教授和諶烈教授研究團隊通過無規(guī)共聚精準(zhǔn)引入第三組份，有效的調(diào)控有機聚合物太陽能電池給體和受體的聚集行為、能級結(jié)構(gòu)以及光吸收，為有機聚合物太陽能電池工作參數(shù)全面有效提高提供了新的研究思路。

  對于受體材料分子設(shè)計，課題組通過無規(guī)共聚將染料分子基團引入到高結(jié)晶性N2200聚合物中，通過無規(guī)共聚的方式適當(dāng)破壞聚合物分子的平面性，有效的調(diào)控聚合物分子的結(jié)晶性，使得活性層在形貌上有一個較好的相分離尺寸，提高激子分離效率。通過引入第三組分染料基團提高受體材料的吸光系數(shù)，同時提高LUMO能級。實現(xiàn)全聚合太陽能電池器件各項參數(shù)（包括開路電壓、短路電流和填充因子）的顯著提升。在無添加劑條件下，全聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到8.13%。相關(guān)工作近期發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. (DOI: 10.1002/anie.201800035)，南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院碩士研究生陳東和北京交通大學(xué)碩士研究生姚嘉為共同第一作者，南昌大學(xué)陳義旺教授和諶烈教授以及中科院化學(xué)研究所張志國副研究員為共同通訊作者。

圖1. (a)聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；(b)聚合物N2200, PNDI-2T-TR(5)和PNDI-2T-TR(10)的DSC曲線圖；(c)聚合物N2200, PNDI-2T-TR(5)和PNDI-2T-TR(10)膜的紫外吸收光譜圖；(d)基于PBDB-T:N2200和 PBDB-T:PNDI-2T-TR(5)聚合物太陽能電池的J-V曲線圖。

  在給體材料分子設(shè)計方面，該課題組通過將2TPF4單元引入到高結(jié)晶性PffBT4T-2OD聚合物中，采用無規(guī)共聚方式調(diào)控聚合物在溶液中的聚集程度和分子間的堆疊作用，從而得到可在室溫條件下溶液旋涂的高性能聚合物太陽能電池，基于PffBT-2TPF4-9/1:PCBM為活性層的器件在經(jīng)過1,8-二碘辛烷（DIO）溶劑添加劑優(yōu)化處理后，得到了9.4%的光電轉(zhuǎn)換效率。前期工作基礎(chǔ)上，研究團隊將上述聚合物PffBT-2TPF4-9/1通過環(huán)境友好型的溶劑加工，得到了比鹵代溶劑加工更高性能且穩(wěn)定的聚合物太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了9.91%。以上相關(guān)成果分別發(fā)表在Nano Energy. 2017, 37, 32–39和Nano Energy. 2017, 41, 27-34上。論文的第一作者為南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士生廖勛凡，目前在美國華盛頓大學(xué)Alex K-Y. Jen教授課題組進行聯(lián)合培養(yǎng)，共同第一作者為西安交通大學(xué)博士生張霖，陳義旺和諶烈教授與西安交通大學(xué)馬偉教授為共同通訊作者。

  同時，該課題組提出了主鏈設(shè)計的D-A-p非對稱和D-s-A結(jié)構(gòu)，通過降低分子主鏈的扭轉(zhuǎn)角有效保證了聚合物共軛主鏈的平面性，保持器件的高開路電壓進而實現(xiàn)了高效的器件性能，并適用于非鹵加工。相關(guān)工作分別發(fā)表在Adv. Funct. Mater. 10.1002/adfm.201706517（南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院碩士研究生安永康和博士研究生廖勛凡為共同第一作者，陳義旺和諶烈教授以及華盛頓大學(xué)任廣禹教授為共同通訊作者。）和Macromol. Rapid Commun. 10.1002/marc.201700706（南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院碩士研究生廖志輝為第一作者，陳義旺和諶烈教授為共同通訊作者。）。

  課題組與華盛頓大學(xué)任廣禹教授和上海交通大學(xué)劉烽教授合作通過螯狀稠環(huán)富電子核結(jié)構(gòu)大大擴大了非富勒烯受體的光學(xué)響應(yīng)范圍，精準(zhǔn)調(diào)控了受體能級結(jié)構(gòu)和分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移以及分子間p-p堆砌行為(J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 2054–2057)。

圖2. (a)聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；四種聚合物(b)PffBT4T-2OD, (c) PffBT-2TPF4-19/1, (d) PffBT-2TPF4-9/1, (e) PffBT-2TPF4-4/1的不同溫度下的溶液紫外吸收光譜圖。

  論文鏈接：

  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201800035/full

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.7b13239