陈义旺课题组系统评述：无规共聚策略设计聚合物太阳能电池的展望与思考

近年来，有机聚合物太阳能电池获得了快速的发展，引起了全球科研工作者的广泛关注。目前，相比富勒烯聚合物太阳能电池，非富勒烯聚合物单节太阳能电池的能量转换效率(PCE)已经超过14%。广泛研究的有机光伏(OPV)材料包括小分子和聚合物给体以及小分子和聚合物受体，但是，无规共轭聚合物给体和受体的研究相对较少。因此，开展无规共聚物为有机太阳能电池提供了更多可供选择的聚合物给体或者受体，也有利于更大程度提高有机光伏效率。

有机太阳能电池的PCE与开路电压(Voc)，短路电流密度(Jsc)和填充因子(FF)具有一定的比例关系。通过引入第三组分调节分子吸收及吸收系数、轨道能级，还能够精准地调控分子的结晶性，使得开路电压(Voc)，短路电流密度(Jsc)和填充因子(FF)获得全面的提高。因此，在《高分子学报》2019年第1期发表的专论中我们系统评述了无规共聚策略精准调控分子结构以及有机光伏性能方面的研究进展。

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近年来，陈义旺教授课题组在精准调控无规共轭聚合物分子结构方面取得较大的进展。基于N2200聚合物构建的无规共聚物受体PNDI-2T-TR，器件效率达到8.13% (Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 4580-4584)，是目前无规共聚物受体最高的效率之一，并且相比N2200器件，Voc、Jsc和FF均获得全面的提高。器件参数大幅度提高的主要原因是精准调控无规共聚物的分子结构，改善吸收强度、控制能级和降低分子结晶性，从而获得器件参数的全面提高。在无规共聚物给体方面，在PffBT4T-2OD体系中添加第三组分四氟苯构建的三元聚合物给体PffBT-2TPF4-9/1，来降低分子的强结晶性，并与PC61BM搭配，其最优的器件效率达到9.4% (Nano Energy, 2017, 37, 32–39)，FF达到70%。相比PffBT4T-2OD:PC61BM器件，PffBT-2TPF4-9/1:PC61BM光伏器件实现室温溶液加工有机太阳能电池，并且达到很好的电荷传输。另外，通过使用非卤溶剂改善分子形貌，促进太阳能效率的提高，我们采用三甲苯作为非卤溶剂，将PffBT-2TPF4-9/1:PC61BM器件效率提高到9.9% (Nano Energy, 2017, 41, 27–34)，并且Voc和FF均获得很好的提高。

综上，我们系统评述了无规共聚策略精准调控分子结构对紫外吸收及吸收系数、电子轨道能级、溶解性和薄膜形貌以及结晶性的影响。为广大科研工作者在无规共聚物材料的精准调控方面，提供了更为有效的策略。最后，并对该方向的发展提出了前瞻性的期望和愿景。

相关工作由南昌大学陈义旺教授课题组发表在《高分子学报》专论栏目，文章的第一作者是南昌大学化学学院的张有地博士，南昌大学陈义旺教授为通讯作者(高分子学报. 2019, 50(1): 13-26, DOI: doi/10.11777/j.issn1000-3304.2018.18193)。

参考文献：

1. Dong Chen, Jia Yao, Lie Chen, Jingping Yin, Ruizhi Lv, Bin Huang, Siqi Liu, Zhi-Guo Zhang, Chunhe Yang, Yiwang Chen, Yongfang Li. Dye-incorporated Polynaphthalenediimide Acceptor for Additive-free High-performance All-polymer Solar. Cells Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 4580-4584

2. Xunfan Liao, Lin Zhang, Lie Chen, Xiaotian Hu, Qingyun Ai, Wei Ma, Yiwang Chen. Room Temperature Processed Polymers for High-efficient Polymer Solar Cells with Power Conversion Efficiency Over 9%. Nano Energy, 2017, 37, 32–39

3. Xunfan Liao, Lin Zhang, Xiaotian Hu, Lie Chen, Wei Ma, Yiwang Chen. Non-halogenated Solvent-processed Single-junction Polymer Solar Cells with 9.91% Efficiency and Improved Photostability. Nano Energy, 2017, 41, 27–34

4. Youdi Zhang, Laitao Shi, Yiwang Chen. Overview and Outlook of Random Copolymerization Strategy for Designing Polymer Solar Cells. Acta Polymerica Sinica, 2019, 50(1): 13-26

张有地, 石来涛, 陈义旺. 无规共聚策略设计聚合物太阳能电池的展望与思考. 高分子学报. 2019, 50(1): 13-26

本文封面图片来源于图虫创意