南昌大学陈义旺教授和谌烈教授研究团队通过无规共聚精准调控有机太阳能电池给受体分子取得新进展

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近年来，有机太阳能电池的光电转换效率（PCE）已经超过13%，但当前效率对于实现有机太阳能电池工业化生产仍然不够。制约有机太阳能电池转换效率的因素有：活性层形貌调控、给受体能级匹配以及活性层光谱吸收强度等。

针对上述问题，陈义旺教授和谌烈教授研究团队通过无规共聚精准引入第三组份，有效的调控有机聚合物太阳能电池给体和受体的聚集行为、能级结构以及光吸收，为有机聚合物太阳能电池工作参数全面有效提高提供了新的研究思路。

对于受体材料分子设计，课题组通过无规共聚将染料分子基团引入到高结晶性N2200聚合物中，通过无规共聚的方式适当破坏聚合物分子的平面性，有效的调控聚合物分子的结晶性，使得活性层在形貌上有一个较好的相分离尺寸，提高激子分离效率。通过引入第三组分染料基团提高受体材料的吸光系数，同时提高LUMO能级。实现全聚合太阳能电池器件各项参数（包括开路电压、短路电流和填充因子）的显著提升。在无添加剂条件下，全聚合物太阳能电池的光电转换效率达到8.13%。相关工作近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. (DOI: 10.1002/anie.201800035)，南昌大学化学学院硕士研究生陈东和北京交通大学硕士研究生姚嘉为共同第一作者，南昌大学陈义旺教授和谌烈教授以及中科院化学研究所张志国副研究员为共同通讯作者。

图1. (a)聚合物的化学结构式；(b)聚合物N2200, PNDI-2T-TR(5)和PNDI-2T-TR(10)的DSC曲线图；(c)聚合物N2200, PNDI-2T-TR(5)和PNDI-2T-TR(10)膜的紫外吸收光谱图；(d)基于PBDB-T:N2200和 PBDB-T:PNDI-2T-TR(5)聚合物太阳能电池的J-V曲线图。

在给体材料分子设计方面，该课题组通过将2TPF4单元引入到高结晶性PffBT4T-2OD聚合物中，采用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，从而得到可在室温条件下溶液旋涂的高性能聚合物太阳能电池，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。前期工作基础上，研究团队将上述聚合物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且稳定的聚合物太阳能电池，光电转换效率达到了9.91%。以上相关成果分别发表在Nano Energy. 2017, 37, 32–39和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，陈义旺和谌烈教授与西安交通大学马伟教授为共同通讯作者。

同时，该课题组提出了主链设计的D-A-p非对称和D-s-A结构，通过降低分子主链的扭转角有效保证了聚合物共轭主链的平面性，保持器件的高开路电压进而实现了高效的器件性能，并适用于非卤加工。相关工作分别发表在Adv. Funct. Mater. 10.1002/adfm.201706517（南昌大学化学学院硕士研究生安永康和博士研究生廖勋凡为共同第一作者，陈义旺和谌烈教授以及华盛顿大学任广禹教授为共同通讯作者。）和Macromol. Rapid Commun. 10.1002/marc.201700706（南昌大学化学学院硕士研究生廖志辉为第一作者，陈义旺和谌烈教授为共同通讯作者。）。

课题组与华盛顿大学任广禹教授和上海交通大学刘烽教授合作通过螯状稠环富电子核结构大大扩大了非富勒烯受体的光学响应范围，精准调控了受体能级结构和分子内电荷转移以及分子间p-p堆砌行为(J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 2054–2057)。

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。

论文链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201800035/full

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.7b13239

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