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  聚合物太陽(yáng)能電池因其成本低、質(zhì)輕和可大面積柔性加工等優(yōu)點(diǎn)使其具備很好的商業(yè)應(yīng)用前景。目前，研究者主要將精力集中在設(shè)計(jì)高性能的給、受體材料以得到高光電轉(zhuǎn)換效率的聚合物太陽(yáng)能電池。雖然聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已突破13%，但是有幾個(gè)因素仍制約其進(jìn)一步工業(yè)化生產(chǎn)。首先，目前加工活性層的溶劑主要為含鹵素的芳香烴溶劑，例如，氯苯（CB）、連二氯苯（DCB）和三氯苯等，而此類溶劑毒性很強(qiáng)，對(duì)人和自然環(huán)境的損害很大，因此如何通過環(huán)境友好型溶劑加工聚合物太陽(yáng)能電池并且得到較高的光電轉(zhuǎn)換效率需要進(jìn)一步研究。此外，器件的穩(wěn)定性和加工條件仍是目前亟需解決的一大難題。

  針對(duì)提高器件穩(wěn)定性，陳義旺教授團(tuán)隊(duì)通過對(duì)聚合物分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，引入二噻吩四氟苯單元來降低聚合物的HOMO能級(jí)，提高聚合物的抗氧化性。同時(shí)二噻吩四氟苯（2TPF4）單元上的氟原子極大的提高了聚合物的疏水性，因此基于此聚合物（PBT-2TPF4）的太陽(yáng)能電池器件性能經(jīng)過約半年后仍維持原有性能的79%。

圖1. 基于2TPF4單元的聚合物PBT-2TPF4和PffBT-2TPF4的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

  該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將2TPF4單元引入到PffBT4T-2OD聚合物中，通過無規(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，從而得到了可在室溫條件下溶液旋涂的高性能聚合物，避免了PffBT4T-2OD類聚合物需要高溫加工所帶來的困難�；赑ffBT-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。這項(xiàng)研究工作為設(shè)計(jì)室溫加工的活性層材料的設(shè)計(jì)提供了一種新的策略。

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

  在前期工作基礎(chǔ)上，由陳義旺教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)將上述得到的聚合物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的聚合物太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了9.91%。此外，該團(tuán)隊(duì)與西安交通大學(xué)馬偉教授團(tuán)隊(duì)展開合作，首次通過同步輻射光源的掠入射X射線衍射（GIXD）以及共振軟X射線衍射（RSoXS）共同研究發(fā)現(xiàn)，使用全非鹵溶劑加工的活性層形貌在光照條件下很穩(wěn)定，其活性層的相純度以及聚合物的結(jié)晶變化都比較小。而研究發(fā)現(xiàn)，在使用氯苯與DIO溶劑加工的活性層的相純度以及結(jié)晶性能在光照條件下變化十分明顯。因此基于全非鹵溶劑加工的聚合物太陽(yáng)能電池的性能在光照條件下比通過使用DIO溶劑修飾的聚合物太陽(yáng)能電池的性能穩(wěn)定很多。該工作對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池光穩(wěn)定性的研究提供了新的思路。

圖3. (a)不同光照時(shí)間下兩種溶劑體系加工的活性層的GIWAXS 2D散射圖和相應(yīng)的曲線圖（b, c）；(d)不同光照時(shí)間下，兩種溶劑體系加工的活性層的RSoXS圖

  以上相關(guān)成果分別發(fā)表在Macromolecular Rapid Communications (Macromol. Rapid Commun. 2017, 38, 1600556), Nano Energy (Nano Energy. 2017, 37, 32–39)和Nano Energy (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(guó)華盛頓大學(xué)Alex K-Y. Jen教授課題組進(jìn)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，通訊作者為陳義旺教授，共同通訊作者為南昌大學(xué)諶烈教授與西安交通大學(xué)馬偉教授。

  論文鏈接：

  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/marc.201770008/full

  http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517305499

  http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517302811