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  與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相比，聚合物太陽(yáng)能電池具有低成本、質(zhì)量輕、柔性和易于大面積加工等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。活性層作為聚合物太陽(yáng)能電池最重要的組成部分，主要由聚合物給體材料和富勒烯衍生物共混構(gòu)成。因此設(shè)計(jì)高性能的給、受體材料以得到高能量轉(zhuǎn)換效率的聚合物太陽(yáng)能電池是科學(xué)研究工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著新型光伏材料的不斷開(kāi)發(fā)以及光伏器件的優(yōu)化，單節(jié)聚合物太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率突破了13%。PTB系列聚合物作為該領(lǐng)域的明星材料自從報(bào)道以來(lái)一直受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，特別是具有部分二維共軛側(cè)鏈取代結(jié)構(gòu)的PTB7-Th更是成為聚合物太陽(yáng)電池研究的經(jīng)典給體材料。

  為了進(jìn)一步提高PTB系列聚合物的能量轉(zhuǎn)化效率，南方科技大學(xué)何鳳副教授研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)聚合物全二維共軛側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，在PTB7-Th部分二維共軛側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)引入噻吩取代基團(tuán)實(shí)現(xiàn)了該類(lèi)材料的全二維共軛側(cè)鏈取代，得到了新型的全二維共軛側(cè)鏈取代聚合物2D-PTB-Th（圖1）。研究表明，由于全二維共軛側(cè)鏈的引入，2D-PTB-Th具有更強(qiáng)的光吸收能力，特別是在300-500納米區(qū)域內(nèi)，同時(shí)也增強(qiáng)了分子間的相互作用力。在經(jīng)過(guò)1,8-二碘辛烷（DIO）溶劑添加劑優(yōu)化處理后，基于2D-PTB-T:PC71BM的太陽(yáng)能電池器件得到了9.13%的光電轉(zhuǎn)化效率，相對(duì)于PTB7-Th的太陽(yáng)器件具有10%的提高，外量子效率EQE也有明顯地提高（圖2）。這項(xiàng)研究為高效有機(jī)太陽(yáng)電池給體材料的進(jìn)一步突破提供了新的設(shè)計(jì)合成策略，即可通過(guò)全共軛主側(cè)鏈的協(xié)同效應(yīng)同時(shí)提高給體材料的光譜吸收以及調(diào)節(jié)聚合物分子間相互作用的雙重目的，實(shí)現(xiàn)聚合物材料能量轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。

圖1. 全二維共軛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路以及聚合物2D-PTB-Th和2D-PTB-TTh的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖2.（a）聚合物以及受體材料PC71BM的能級(jí)圖（b）聚合物所對(duì)應(yīng)的器件的EQE的變化

  此外，該團(tuán)隊(duì)在近幾年中一直專注于氯原子在聚合物太陽(yáng)電池方面的應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)廣泛使用的氟原子，氯原子具有合成相對(duì)較為容易，聚合物能級(jí)可調(diào)范圍更大等優(yōu)勢(shì)，特別是氯原子由于具有空的3d軌道賦予其和具有孤電對(duì)單元或者共軛體系具有更強(qiáng)的相互作用，能有效控制氯取代聚合物材料的聚集形貌以及分子取向，也可作為模型分子研究有機(jī)光電器件中的基本物理現(xiàn)象。

  在最近的工作中，團(tuán)隊(duì)也將氯原子引入到PTB聚合物的主鏈中，得到了聚合物PBTCl，得到較低的最低占有分子軌道（HOMO）的同時(shí)實(shí)現(xiàn)聚合物吸收光譜的藍(lán)移，所以當(dāng)該材料與窄帶隙的受體材料ITIC共混時(shí)，吸收光譜得到較好的互補(bǔ)，其非富勒烯太陽(yáng)電池器件顯示了較大的開(kāi)路電壓Voc，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.57%，與PTB7-Th:ITIC器件效率相比有13%的提高。

  再上述工作中由于在聚合物骨架上引入氯原子，其大原子效應(yīng)會(huì)在一定程度上減弱分子間的相互作用，不利于電荷在活性層中的傳導(dǎo)，因此該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)引入共軛的二維共軛噻吩側(cè)鏈的設(shè)計(jì)得到了全二維側(cè)鏈的氯取代聚合物2D-PBTCl和2D-PBTCl2 （圖3），噻吩側(cè)鏈可通過(guò)共軛作用在一定程度上克服氯原子引起的位阻效應(yīng)，增強(qiáng)聚合物分子間的電荷傳輸能力，同時(shí)提高聚合物的光吸收能力，基于聚合物2D-PBTCl:ITIC的器件效率也提高到了8.81%。

圖3. 聚合物2D-PBTCl and 2D-PBTCl2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  以上相關(guān)成果分別發(fā)表在Macromolecules  (Macromolecules DOI: 10.1021/acs.macromol.7b02045), ACS Energy Letters (ACS Energy Lett., 2017, 2, 1971–1977) 和Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, DOI: 10.1039/C7TA09837E)上。其中Macromolecules和Journal of Materials Chemistry A文章的第一作者為南方科技大學(xué)-北京大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生晁鵬杰，ACS Energy Lett.文章的第一作者為南方科技大學(xué)-澳門(mén)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生王歡，通訊作者為南方科技大學(xué)化學(xué)系何鳳副教授，共同通訊作者為美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室陳偉教授。

  該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中組部“青年千人計(jì)劃”、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）、南科大科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)、深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)以及深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)的支持。

  論文鏈接：

  http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.7b02045

  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.7b00551

  http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ta/c7ta09837e