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  聚合物太陽電池由于具有質(zhì)輕，柔性以及可大面積加工等優(yōu)勢受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。過去十多年，科學(xué)家們通過合理設(shè)計活性層材料，精細優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，改進制備工藝，優(yōu)化微觀形貌結(jié)構(gòu)以及對有機光伏相關(guān)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(zhuǎn)換效率。本體異質(zhì)結(jié)電池和疊層電池結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)化效率都超過12%。但是目前已報道的大多數(shù)高效率的活性層材料，其在制備光伏器件時的最優(yōu)膜厚都僅在100 nm左右，這不利于將來工業(yè)生產(chǎn)采用“卷對卷” (roll-to roll) 技術(shù)大規(guī)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(yōu)先考慮設(shè)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(shù)的要求，從而面向未來大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用。

  華南理工大學(xué)發(fā)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(shè)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(yīng)晶體管材料相結(jié)合的設(shè)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(xiàn)電荷的高效分離并形成載流子產(chǎn)生光電流。

圖1. 聚合物NT812的結(jié)構(gòu)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(tǒng)研究了烷基鏈及器件結(jié)構(gòu)對器件光伏性能的影響，發(fā)現(xiàn)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(huán)境友好型溶劑作為旋涂溶劑，光電轉(zhuǎn)換效率都達到10%以上；并且當(dāng)活性層厚度達到1μm時，器件依然維持在8%以上的光電轉(zhuǎn)換效率。這項研究工作為高效厚膜活性層材料的設(shè)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行修飾優(yōu)化，設(shè)計合成了聚合物PNTT和PNTBDT，如圖2所示。并且系統(tǒng)研究了分子量與器件光伏性能的關(guān)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(nèi)，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�；赑NTBDT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(gòu)筑基于萘二并噻二唑單元的材料非常適合應(yīng)用于厚膜有機高效太陽電池領(lǐng)域。

圖2. (a)聚合物PNTT和PNTBDT的化學(xué)結(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)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(fā)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(guān)工作得到了國家科技部，國家自然科學(xué)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