聚合物太陽(yáng)能電池因其質(zhì)輕、材料結(jié)構(gòu)易于“裁剪”和能夠?qū)崿F(xiàn)“卷對(duì)卷”印刷制備大面積低成本柔性器件而備受國(guó)內(nèi)外科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，是重要的前沿研究領(lǐng)域。近年來(lái)，器件的光-電轉(zhuǎn)換效率不斷攀升，主要得益于光活性層材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)。但聚合物太陽(yáng)能電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的核心瓶頸問題是如何制備高性能高穩(wěn)定性的聚合物薄膜。
同步輻射掠入射X射線散射技術(shù)是研究有機(jī)/無(wú)機(jī)薄膜材料微觀結(jié)構(gòu)的重要方法。上海光源小角散射站（BL16B1 ）自對(duì)用戶開放以來(lái)，一直致力于掠入射散射技術(shù)的方法學(xué)研究和發(fā)展。經(jīng)線站人員的努力，掠入射X射線廣角散射GIWAXS平臺(tái)取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
近期，中科院青島能源所陽(yáng)仁強(qiáng)課題組在上海光源BL16B1線站，應(yīng)用掠入射散射技術(shù)系統(tǒng)地開展了側(cè)鏈調(diào)控對(duì)聚合電池性能的影響機(jī)制。獲得了電池器件的微觀結(jié)果形貌，特別是有關(guān)活性層結(jié)晶特性的清晰圖片，有力解釋了材料光伏性能提高的內(nèi)在機(jī)理。一是基于苯并二噻吩（BDT）的給體-富勒烯受體的作用機(jī)制，開發(fā)了不對(duì)稱BDT聚合物體系，通過引入不同的側(cè)鏈基團(tuán)，在保證材料低HOMO能級(jí)的情況下，研究發(fā)現(xiàn)此類設(shè)計(jì)的體系更有效地增強(qiáng)分子鏈間的堆積，加快載流子的遷移，因此相應(yīng)器件的開路電壓和短路電流以及填充因子實(shí)現(xiàn)了大幅度提高。在主鏈不變的情況下，不對(duì)稱BDT的材料實(shí)現(xiàn)了效率的進(jìn)一步提升，獲得了同類體系中的最高光電轉(zhuǎn)換效率（見下圖1）。相關(guān)成果發(fā)表于Adv. Mater.（2016, 28, 8490–8498）。更為重要的是該不對(duì)稱設(shè)計(jì)理念具有較好的普適性，為進(jìn)一步開發(fā)新型高效的聚合物給體材料提供了新思路。二是和上海光源BL16B1線站科學(xué)家合作研究二維BDT側(cè)鏈苯環(huán)F原子的位置取代，發(fā)現(xiàn)對(duì)側(cè)鏈的精細(xì)調(diào)控能大幅改善薄膜的聚集狀態(tài)，從而有效地提高了器件的光伏性能(J. Mater. Chem. A2016, 4, 10212)。
此外，研究人員在設(shè)計(jì)合成寬帶隙材料方面也取得了重要進(jìn)展。一般認(rèn)為吸收邊小于600nm，或帶隙超過2.0 eV的材料為寬帶系材料，其在疊層或者多元有機(jī)太陽(yáng)能電池中起著至關(guān)重要的作用，而目前有機(jī)寬帶系材料種類稀少，其中具有高效率的更是鳳毛麟角。針對(duì)此現(xiàn)象，陽(yáng)仁強(qiáng)課題組和萬(wàn)曉波課題組通過采用異構(gòu)化的方法，將異靛藍(lán)分子轉(zhuǎn)化為一種全新的共軛結(jié)構(gòu)：二苯并萘啶二酮（DBND）。該分子具有弱的拉電子效應(yīng)、很高的取向性和結(jié)晶性（圖2）。基于此單體，我們合成了一類新型D-A型聚合物材料，具有非常寬的帶系（>2.2 eV），然而罕見的是，其光電轉(zhuǎn)換效率卻創(chuàng)紀(jì)錄的達(dá)到6.32 %，遠(yuǎn)高于同等帶隙的材料。該類材料以其獨(dú)特的光學(xué)吸收以及優(yōu)異的性能，有望取代P3HT制備高性能的有機(jī)疊層或者多元太陽(yáng)能電池，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Chem. Mater.（2016, 28, 6196-6206）上。
圖1 不對(duì)稱BDT聚合物體系的二維GIWAXS圖
圖2 新型有機(jī)太陽(yáng)能電池寬帶隙材料GIWAXS結(jié)果
文章鏈接：
Adv. Mater. 2016, 28, 8490–8498：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201602857/full
J. Mater. Chem. A 2016, 4, 10212：
http://pubs.rsc.org/is/content/articlelanding/2016/ta/c6ta03709g#!divAbstract
Chem. Mater. 2016, 28, 6196——6206
