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  在光能轉(zhuǎn)化為電能方面，全高分子太陽(yáng)能電池采用p型高分子半導(dǎo)體（給體）和n型高分子半導(dǎo)體（受體）的共混物作為活性層，與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相比，具有柔性、成本低、重量輕的突出優(yōu)點(diǎn)，已成為太陽(yáng)能電池研究的重要方向之一。但是，n型高分子半導(dǎo)體的種類和數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于p型高分子半導(dǎo)體，因此開(kāi)發(fā)n型高分子半導(dǎo)體材料是發(fā)展全高分子太陽(yáng)能電池的核心。 

  中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所高分子物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉俊課題組，提出采用硼氮配位鍵(B←N)降低共軛高分子的LUMO/HOMO能級(jí)，發(fā)展n型高分子半導(dǎo)體的策略，并發(fā)展出兩類含硼氮配位鍵的n型高分子半導(dǎo)體受體材料，其全高分子太陽(yáng)能電池器件效率與經(jīng)典的酰亞胺類n型高分子半導(dǎo)體相近。 

全高分子太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得系列進(jìn)展

  該課題組首先闡明了硼氮配位鍵降低共軛高分子LUMO/HOMO能級(jí)的基本原理，首次將硼氮配位鍵引入到n型高分子半導(dǎo)體的分子設(shè)計(jì)中（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 3648）。進(jìn)而提出了兩種用硼氮配位鍵設(shè)計(jì)n型高分子半導(dǎo)體受體材料的分子設(shè)計(jì)方法：一是在共軛高分子的重復(fù)單元中，用一個(gè)硼氮配位鍵取代碳碳共價(jià)鍵，使共軛高分子的LUMO/HOMO能級(jí)同時(shí)降低0.5–0.6eV，將常見(jiàn)的p型高分子半導(dǎo)體給體材料轉(zhuǎn)變?yōu)閚型高分子半導(dǎo)體受體材料（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 5313）；二是先設(shè)計(jì)基于硼氮配位鍵的新型缺電子單元——雙硼氮橋聯(lián)聯(lián)吡啶，再用于構(gòu)建n型高分子半導(dǎo)體受體材料（Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 1436）。 

  研究表明，硼氮配位鍵n型高分子半導(dǎo)體具有LUMO軌道離域，LUMO能級(jí)可調(diào)的特點(diǎn)（Chem. Sci., 2016, 7, 6197）。基于該獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，在得到全高分子太陽(yáng)電池器件效率6%的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了光子能量損失0.51 eV，突破了傳統(tǒng)有機(jī)太陽(yáng)能電池光子能量損失最小值0.6eV的極限，也是已知文獻(xiàn)報(bào)道的最低值（Adv. Mater., 2016, 28, 6504) 。 

  該工作獲得了科技部973項(xiàng)目、國(guó)際自然科學(xué)基金、中組部“青年千人計(jì)劃”和中科院先導(dǎo)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。