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  聚合物太陽(yáng)電池由于具有質(zhì)輕，柔性以及可大面積加工等優(yōu)勢(shì)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。過(guò)去十多年，科學(xué)家們通過(guò)合理設(shè)計(jì)活性層材料，精細(xì)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，改進(jìn)制備工藝，優(yōu)化微觀形貌結(jié)構(gòu)以及對(duì)有機(jī)光伏相關(guān)物理機(jī)制的研究等方式來(lái)不斷突破聚合物有機(jī)太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本體異質(zhì)結(jié)電池和疊層電池結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)化效率都超過(guò)12%。但是目前已報(bào)道的大多數(shù)高效率的活性層材料，其在制備光伏器件時(shí)的最優(yōu)膜厚都僅在100 nm左右，這不利于將來(lái)工業(yè)生產(chǎn)采用“卷對(duì)卷” (roll-to roll) 技術(shù)大規(guī)模制備大面積器件。至今，僅少量文獻(xiàn)報(bào)道共軛聚合物材料能夠在300 nm膜厚保持較高的效率，因此，需要優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)能滿足厚膜加工的有機(jī)聚合物太陽(yáng)電池材料，這樣才能滿足加工技術(shù)的要求，從而面向未來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用。

  華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃飛教授課題組一直致力于高效厚膜活性層材料設(shè)計(jì)及光伏性能等方面研究，提出了將萘二并噻二唑單元與高遷移率的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管材料相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，保證了對(duì)太陽(yáng)光強(qiáng)的吸收，并且具有較高的遷移率，能夠在較厚的活性層中實(shí)現(xiàn)電荷的高效分離并形成載流子產(chǎn)生光電流。

圖1. 聚合物NT812的結(jié)構(gòu)式及以鄰二甲苯作為旋涂溶劑制備器件的J-V曲線

  在2016年，黃飛教授課題組報(bào)道了基于（3-烷基噻吩-2-基）噻吩并[3,2-b]噻吩（BTTT）作為給體單元，萘二并噻二唑（NT）作為受體單元的新型D-A窄帶隙共軛聚合物，如圖1所示。系統(tǒng)研究了烷基鏈及器件結(jié)構(gòu)對(duì)器件光伏性能的影響，發(fā)現(xiàn)基于較短烷基鏈的聚合物NT812的器件，在活性層厚度約300 nm時(shí)，使用鹵素溶劑或者環(huán)境友好型溶劑作為旋涂溶劑，光電轉(zhuǎn)換效率都達(dá)到10%以上；并且當(dāng)活性層厚度達(dá)到1μm時(shí)，器件依然維持在8%以上的光電轉(zhuǎn)換效率。這項(xiàng)研究工作為高效厚膜活性層材料的設(shè)計(jì)提供了一種新的策略。

  為了進(jìn)一步提高器件光伏效率，最近黃飛教授課題組在NT812結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行修飾優(yōu)化，設(shè)計(jì)合成了聚合物PNTT和PNTBDT，如圖2所示。并且系統(tǒng)研究了分子量與器件光伏性能的關(guān)系。其中基于分子量最大的PNTT-H的器件效率在活性層厚度280 nm時(shí)達(dá)到11.35%，并且器件性能對(duì)活性層厚度不敏感，活性層厚度在660 nm以內(nèi)，效率仍保持在10%以上，厚度達(dá)1050 nm時(shí)，器件效率依然保持在9%以上。基于PNTBDT的器件性能在活性層厚度約300 nm時(shí)也維持10%以上。這些研究表明構(gòu)筑基于萘二并噻二唑單元的材料非常適合應(yīng)用于厚膜有機(jī)高效太陽(yáng)電池領(lǐng)域。

圖2. (a)聚合物PNTT和PNTBDT的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；(b)基于PNTT-H正裝器件不同活性層厚度與器件效率、短路電流的曲線關(guān)系；(c)聚合物PNTT和PNTBDT的J-V曲線；(d)聚合物PNTT和PNTBDT的EQE曲線

  以上相關(guān)成果以《A Novel Naphtho[1,2-c:5,6-c′]Bis([1,2,5]Thiadiazole)-Based Narrow-Bandgap π-Conjugated Polymer with Power Conversion Efficiency Over 10%》和《Thick Film Polymer Solar Cells Based on Naphtho[1,2-c:5,6-c]bis[1,2,5]thiadiazole Conjugated Polymers with Efficiency Over 11%》為題分別發(fā)表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2016, 28, 9811-9818)和Advanced Energy Materials（Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700944）上。博士生金耀城為上述論文的第一作者。相關(guān)工作得到了國(guó)家科技部，國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省科技廳的資助。

  論文鏈接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603178/full

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201700944/full