高效聚合物电池材料方面取得系列进展
聚合物太阳能电池因其质轻、材料结构易于“裁剪”和能够实现“卷对卷”印刷制备大面积低成本柔性器件而备受国内外科学界和产业界的关注，是重要的前沿研究领域。近年来，器件的光-电转换效率不断攀升，主要得益于光活性层材料的设计和开发。但聚合物太阳能电池技术的产业化进程的核心瓶颈问题是如何制备高性能高稳定性的聚合物薄膜。
同步辐射掠入射X射线散射技术是研究有机/无机薄膜材料微观结构的重要方法。上海光源小角散射站（BL16B1 ）自对用户开放以来，一直致力于掠入射散射技术的方法学研究和发展。经线站人员的努力，掠入射X射线广角散射GIWAXS平台取得了良好的实验结果。
近期，中科院青岛能源所阳仁强课题组在上海光源BL16B1线站，应用掠入射散射技术系统地开展了侧链调控对聚合电池性能的影响机制。获得了电池器件的微观结果形貌，特别是有关活性层结晶特性的清晰图片，有力解释了材料光伏性能提高的内在机理。一是基于苯并二噻吩（BDT）的给体-富勒烯受体的作用机制，开发了不对称BDT聚合物体系，通过引入不同的侧链基团，在保证材料低HOMO能级的情况下，研究发现此类设计的体系更有效地增强分子链间的堆积，加快载流子的迁移，因此相应器件的开路电压和短路电流以及填充因子实现了大幅度提高。在主链不变的情况下，不对称BDT的材料实现了效率的进一步提升，获得了同类体系中的最高光电转换效率（见下图1）。相关成果发表于Adv. Mater.（2016, 28, 8490–8498）。更为重要的是该不对称设计理念具有较好的普适性，为进一步开发新型高效的聚合物给体材料提供了新思路。二是和上海光源BL16B1线站科学家合作研究二维BDT侧链苯环F原子的位置取代，发现对侧链的精细调控能大幅改善薄膜的聚集状态，从而有效地提高了器件的光伏性能(J. Mater. Chem. A2016, 4, 10212)。
图1 不对称BDT聚合物体系的二维GIWAXS图
此外，研究人员在设计合成宽带隙材料方面也取得了重要进展。一般认为吸收边小于600nm，或带隙超过2.0 eV的材料为宽带系材料，其在叠层或者多元有机太阳能电池中起着至关重要的作用，而目前有机宽带系材料种类稀少，其中具有高效率的更是凤毛麟角。针对此现象，阳仁强课题组和万晓波课题组通过采用异构化的方法，将异靛蓝分子转化为一种全新的共轭结构：二苯并萘啶二酮（DBND）。该分子具有弱的拉电子效应、很高的取向性和结晶性（图2）。基于此单体，他们合成了一类新型D-A型聚合物材料，具有非常宽的带系（>2.2 eV），然而罕见的是，其光电转换效率却创纪录的达到6.32 %，远高于同等带隙的材料。该类材料以其独特的光学吸收以及优异的性能，有望取代P3HT制备高性能的有机叠层或者多元太阳能电池，相关结果发表在Chem. Mater.（2016, 28, 6196-6206）上。
图2 新型有机太阳能电池宽带隙材料GIWAXS结果
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来源：中国科学院上海应用物理研究所
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