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  最近，南方科技大學材料科學與工程系副教授郭旭崗課題組在全聚物太陽能電池（all-polymer solar cells）受體材料設(shè)計方向取得最新研究成果，這項成果在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）在線發(fā)表，題目為“Effects of Bithiophene Imide Fusion on the Device Performance of Organic Thin-Film Transistors and All-Polymer Solar Cells”。

  有機太陽能電池是新一代清潔能源中的研究焦點，通常利用富勒烯等小分子作為受體材料。但是富勒烯的化學結(jié)構(gòu)相對固定，其分子能級和光學吸收難以調(diào)節(jié)，并且穩(wěn)定性較差。采用聚合物作為受體材料為解決以上問題提供了有效方案，進而有望實現(xiàn)更高的能量轉(zhuǎn)換效率。當前，聚合物受體材料的研發(fā)主要集中在基于酰亞胺結(jié)構(gòu)的有機半導體上。酰亞胺具有強拉電子效應并帶來溶解性可調(diào)等特征，迄今為止高性能n-型聚合物半導體材料都帶有酰亞胺基團，其中基于萘酰亞胺和苝酰亞胺受體材料的電池性能在全聚物太陽能電池中處于領(lǐng)先地位。研發(fā)具有新穎結(jié)構(gòu)的聚合物受體材料，并建立材料結(jié)構(gòu)-器件性能關(guān)聯(lián)，對于進一步提升全聚物太陽能電池性能具有重要意義。

  在該論文中，郭旭崗課題組設(shè)計了兩種基于雙噻吩酰亞胺的n-型聚合物受體材料（見圖a）。這兩種材料在場效應晶體管中都能達到1 cm2 V?1 s?1 左右的電子遷移率，但是其分子結(jié)構(gòu)的微小變化對太陽能電池性能有巨大影響。研究發(fā)現(xiàn)，通過并環(huán)的方式將雙噻吩酰亞胺結(jié)合起來，能夠極大的提升聚合物太陽能電池的器件性能，能量轉(zhuǎn)換效率最高可達到6.85%，同時實現(xiàn)較大的開路電壓1.04 V（見圖b），這是萘（苝）酰亞胺體系以外的聚合物太陽能電池的最好結(jié)果。

圖1. （a）雙噻吩酰亞胺受體材料的化學結(jié)構(gòu)；（b）晶體管器件性能（左）和 全聚物太陽能電池器件性能（右）

  通過一系列材料和器件表征手段發(fā)現(xiàn)，雙噻吩酰亞胺并環(huán)使得聚合物半導體具有更窄的帶隙、更低的導帶能級、更高的共面性和結(jié)晶度，從而使得并環(huán)聚合物半導體具有更高的電子遷移率。同步輻射表明，并環(huán)使得高分子半導體在場效應晶體管和太陽能電池器件中具有更合適的分子空間取向（圖 2），從而有利于電荷的有效提取，取得更大的電流值和實現(xiàn)更高的能量轉(zhuǎn)化效率。研究結(jié)果表明并環(huán)設(shè)計是實現(xiàn)高性能聚合物n-型材料的有效途徑，為新型受體材料設(shè)計提供重要參考依據(jù)。

圖 2. 聚合物半導體薄膜的二維掠入式寬角X衍射圖。

  郭旭崗課題組博士后王英鋒和碩士生閆政龍為該論文的共同第一作者，高級研究學者郭晗對材料進行了場效應晶體管性能表征，本科生凌少華參與部分材料合成工作，本科生周鑫完成材料計算。合作作者包括韓國高麗大學Han Young Woo教授（同步輻射），南科大物理系戴俊峰助理教授等（光譜研究）。該項研究得到國家自然科學基金、深圳市孔雀團隊、深圳市重點實驗室、校長基金等項目的支持。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201708421/full