聚合物太陽能電池因其成本低、質輕和可大面積柔性加工等優點使其具備很好的商業應用前景。目前，研究者主要將精力集中在設計高性能的給、受體材料以得到高光電轉換效率的聚合物太陽能電池。雖然聚合物太陽能電池的光電轉換效率已突破13%，但是有幾個因素仍制約其進一步工業化生產。首先，目前加工活性層的溶劑主要為含鹵素的芳香烴溶劑，例如，氯苯（CB）、連二氯苯（DCB）和三氯苯等，而此類溶劑毒性很強，對人和自然環境的損害很大，因此如何通過環境友好型溶劑加工聚合物太陽能電池并且得到較高的光電轉換效率需要進一步研究。此外，器件的穩定性和加工條件仍是目前亟需解決的一大難題。
針對提高器件穩定性，陳義旺教授團隊通過對聚合物分子結構的設計，引入二噻吩四氟苯單元來降低聚合物的HOMO能級，提高聚合物的抗氧化性。同時二噻吩四氟苯（2TPF4）單元上的氟原子極大的提高了聚合物的疏水性，因此基于此聚合物（PBT-2TPF4）的太陽能電池器件性能經過約半年后仍維持原有性能的79%。
圖1. 基于2TPF4單元的聚合物PBT-2TPF4和PffBT-2TPF4的化學結構式
該團隊進一步將2TPF4單元引入到PffBT4T-2OD聚合物中，通過無規共聚方式調控聚合物在溶液中的聚集程度和分子間的堆疊作用，從而得到了可在室溫條件下溶液旋涂的高性能聚合物，避免了PffBT4T-2OD類聚合物需要高溫加工所帶來的困難。基于PffBT-2TPF4-9/1:PCBM為活性層的器件在經過1,8-二碘辛烷（DIO）溶劑添加劑優化處理后，得到了9.4%的光電轉換效率。這項研究工作為設計室溫加工的活性層材料的設計提供了一種新的策略。
圖2. (a)聚合物的化學結構式; 四種聚合物(b)PffBT4T-2OD, (c) PffBT-2TPF4-19/1, (d) PffBT-2TPF4-9/1, (e) PffBT-2TPF4-4/1的不同溫度下的溶液紫外吸收光譜圖
在前期工作基礎上，由陳義旺教授帶領的研究團隊將上述得到的聚合物PffBT-2TPF4-9/1通過環境友好型的溶劑加工，得到了比鹵代溶劑加工更高性能的聚合物太陽能電池，光電轉換效率達到了9.91%。此外，該團隊與西安交通大學馬偉教授團隊展開合作，首次通過同步輻射光源的掠入射X射線衍射（GIXD）以及共振軟X射線衍射（RSoXS）共同研究發現，使用全非鹵溶劑加工的活性層形貌在光照條件下很穩定，其活性層的相純度以及聚合物的結晶變化都比較小。而研究發現，在使用氯苯與DIO溶劑加工的活性層的相純度以及結晶性能在光照條件下變化十分明顯。因此基于全非鹵溶劑加工的聚合物太陽能電池的性能在光照條件下比通過使用DIO溶劑修飾的聚合物太陽能電池的性能穩定很多。該工作對聚合物太陽能電池光穩定性的研究提供了新的思路。
圖3. (a)不同光照時間下兩種溶劑體系加工的活性層的GIWAXS 2D散射圖和相應的曲線圖（b, c）；(d)不同光照時間下，兩種溶劑體系加工的活性層的RSoXS圖
以上相關成果分別發表在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。論文的第一作者為南昌大學化學學院博士生廖勛凡，目前在美國華盛頓大學Alex K-Y. Jen教授課題組進行聯合培養，共同第一作者為西安交通大學博士生張霖，通訊作者為陳義旺教授，共同通訊作者為南昌大學諶烈教授與西安交通大學馬偉教授。
論文鏈接：
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
