南昌大学陈义旺教授课题组在室温加工的有机太阳能电池上取得新进展
聚合物太阳能电池因其成本低、质轻和可大面积柔性加工等优点使其具备很好的商业应用前景。目前，研究者主要将精力集中在设计高性能的给、受体材料以得到高光电转换效率的聚合物太阳能电池。虽然聚合物太阳能电池的光电转换效率已突破13%，但是有几个因素仍制约其进一步工业化生产。首先，目前加工活性层的溶剂主要为含卤素的芳香烃溶剂，例如，氯苯（CB）、连二氯苯（DCB）和三氯苯等，而此类溶剂毒性很强，对人和自然环境的损害很大，因此如何通过环境友好型溶剂加工聚合物太阳能电池并且得到较高的光电转换效率需要进一步研究。此外，器件的稳定性和加工条件仍是目前亟需解决的一大难题。
针对提高器件稳定性，陈义旺教授团队通过对聚合物分子结构的设计，引入二噻吩四氟苯单元来降低聚合物的HOMO能级，提高聚合物的抗氧化性。同时二噻吩四氟苯（2TPF4）单元上的氟原子极大的提高了聚合物的疏水性，因此基于此聚合物（PBT-2TPF4）的太阳能电池器件性能经过约半年后仍维持原有性能的79%。
图1. 基于2TPF4单元的聚合物PBT-2TPF4和PffBT-2TPF4的化学结构式
该团队进一步将2TPF4单元引入到PffBT4T-2OD聚合物中，通过无规共聚方式调控聚合物在溶液中的聚集程度和分子间的堆叠作用，从而得到了可在室温条件下溶液旋涂的高性能聚合物，避免了PffBT4T-2OD类聚合物需要高温加工所带来的困难。基于PffBT-2TPF4-9/1:PCBM为活性层的器件在经过1,8-二碘辛烷（DIO）溶剂添加剂优化处理后，得到了9.4%的光电转换效率。这项研究工作为设计室温加工的活性层材料的设计提供了一种新的策略。
图2. (a)聚合物的化学结构式; 四种聚合物(b)PffBT4T-2OD, (c) PffBT-2TPF4-19/1, (d) PffBT-2TPF4-9/1, (e) PffBT-2TPF4-4/1的不同温度下的溶液紫外吸收光谱图
在前期工作基础上，由陈义旺教授带领的研究团队将上述得到的聚合物PffBT-2TPF4-9/1通过环境友好型的溶剂加工，得到了比卤代溶剂加工更高性能的聚合物太阳能电池，光电转换效率达到了9.91%。此外，该团队与西安交通大学马伟教授团队展开合作，首次通过同步辐射光源的掠入射X射线衍射（GIXD）以及共振软X射线衍射（RSoXS）共同研究发现，使用全非卤溶剂加工的活性层形貌在光照条件下很稳定，其活性层的相纯度以及聚合物的结晶变化都比较小。而研究发现，在使用氯苯与DIO溶剂加工的活性层的相纯度以及结晶性能在光照条件下变化十分明显。因此基于全非卤溶剂加工的聚合物太阳能电池的性能在光照条件下比通过使用DIO溶剂修饰的聚合物太阳能电池的性能稳定很多。该工作对聚合物太阳能电池光稳定性的研究提供了新的思路。
图3. (a)不同光照时间下两种溶剂体系加工的活性层的GIWAXS 2D散射图和相应的曲线图（b, c）；(d)不同光照时间下，两种溶剂体系加工的活性层的RSoXS图
以上相关成果分别发表在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。论文的第一作者为南昌大学化学学院博士生廖勋凡，目前在美国华盛顿大学Alex K-Y. Jen教授课题组进行联合培养，共同第一作者为西安交通大学博士生张霖，通讯作者为陈义旺教授，共同通讯作者为南昌大学谌烈教授与西安交通大学马伟教授。
论文链接：
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
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