国家纳米科学中心周二军研究员课题组在调控聚合物光伏材料能量损失方面取得新进展
聚合物太阳能电池具有独特的优势，可以满足不同的应用需求，因此具有巨大的发展潜力，自问世以来便受到广泛关注。经过三十年的发展，研究人员设计合成出了大量的共轭聚合物光伏材料，相应的光电转换效率最高已经超过了14%。为了进一步提升性能，需要深入研究共轭聚合物光伏材料的构效关系。
聚噻吩乙烯是一类很有代表性的共轭聚合物材料。具有分子平面性好、共轭程度优异、载流子迁移率高等优势。然而，噻吩乙烯类聚合物的光伏性能却不高。论文的第一作者王晓晨博士及合作者在2013年发表文章阐述了噻吩乙烯聚合物的能量损失（电压损失）远超过聚合物光伏材料的平均水平，这可能是导致其光伏性能差的重要原因。几年来，这一现象的内部原因仍然不是很清楚。噻吩-乙烯-噻吩(TVT)单元是噻吩乙烯结构构筑单元的典型代表，基于TVT单元的聚合物材料迁移率屡次打破世界纪录，目前已达11 cm2 V−1 s−1。然而，同样，基于TVT单元的聚合物材料光伏性能也较差，光电转换效率绝大部分都小于6%，能量损失集中在0.8-1.2 eV, 如图1所示。
图1. 基于TVT衍生物的聚合物光伏材料能量损失与效率
周二军研究员团队通过稠合将TVT单元中独立的双键与邻近噻吩环稠合，形成ETVT单元，通过电子云结构重构前后的变化，研究噻吩乙烯类聚合物材料结构-能量损失-效率之间的关系。研究发现稠合有利于提高聚合物的光伏性能，降低器件的能量损失。尤其，在基于ITIC的非富勒烯聚合物太阳能电池中，稠合后的聚合物光电转换效率提高了一倍以上，如图2所示，能量损失从典型的0.8 eV降低到了0.67 eV，如图1所示。
图2. 聚合物结构与光伏性能
相关研究结果发表在Macromolecules (DOI: 10.1021/acs.macromol.8b00805)上，本论文第一作者为国家纳米科学中心副研究员王晓晨博士，通讯作者为周二军研究员。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b00805
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