在聚合物太阳能电池研究领域积累了一定的工作经验，包括一维或二维窄带隙聚合物的结构设计与构筑、稠环供体单元的结构修饰、器件的制备与优化、活性层形貌调控与器件性能关联等研究，为本项目的实施奠定了良好的基础。近年来的主要研究成果发表在 Journal of Physical Chemistry C（2013）、Journal of Materials Chemistry A (2014)、 Macromolecular Chemistry and Physics（2014)、Physical Chemistry Chemical Physics（2014）以及 Journal of Materials Chemistry C（2015）等学术期刊上。此外，还撰写了 InTech
Publisher 的英文书章节一篇（2011）。具体研究如下：
针对一维推-拉结构窄带隙聚合物中面临吸收光谱、能级排列和载流子传输难均衡调控的关键问题，以高空穴迁移率的聚[芴-二噻吩]为主链，噻吩为 π-桥联强吸电子支链来构筑新型的二维窄带隙聚合物（图 8）。成功地验证了通过高空穴传输主链增强短波吸收、共轭桥联电子给-受体支链调控带隙并拓展吸收谱宽的二维窄带隙聚合物设计理念。利用空穴传输性能更好的 MoO3 替换 PEDOT:POSS 作为传输层优化聚合物单层器件，获得了最高光电转化效率为 3.13%的电池器件。与一维线性的聚[芴-二噻吩]器件相比，其光电转化效率获得了 21%的提升。通过该课题的实施，成功开发了聚芴类的二维窄带隙聚合物，深入研究了此类聚合物的合成方法以及提升聚合物太阳能电池效率的制备工艺。
图 8. 强吸电子支链接枝二维聚[芴-二噻吩]的 HOMO-LUMO 能级、吸收光谱和器件性能
苯并二噻吩稠环供体单元被证明在构筑高效率的窄带隙聚合物中是最为重要的嵌段之一。开发具有高迁移率、低 HOMO 能级的苯并二噻吩稠环供体单元是获得高效率共轭聚合物的重要保障。针对目前构筑较为成功的苯并二噻吩稠环单元的难题，创造性地开发了一种简易普适的合成方法。借助于开发的 4,8-双功能化合成子，通过钯催化的 Sonogashira、
Suzuki 或 C-S 偶联反应，构建了一系列具有高迁移率、能级可调、尤其 HOMO 能级接近理想聚合物供体材料的稠环供体单元，成功地解决了传统的 Newman-Kwart 多步重排或锂试剂反应合成中产量低且产物难分离的问题。基于苯并噻吩类稠环供体单元这种便利而普适的合成方法，对推进推-拉结构窄带隙聚合物的开发具有重要意义。兼顾溶解性、能级调控和空间位阻效应考量，申请者设计合成了 4,8-烷巯基取代的苯并二噻吩供体单元，并与二噻吩苯并二噁唑受体单元交替共聚成窄带隙聚合物，获得了光电效率高达 5.63%的太阳能电池（图 9）。
图 9. 苯并二噻吩单元的创新合成、烷巯基苯并二噻吩的场效应晶体管及光伏器件性能
利用三异丙基硅乙炔基苯并二噻吩供体单元与噻唑并噻唑受体单元交替共聚合成线性推-拉结构的窄带隙聚合物（PTIPSBDTTTz），系统考察了器件物理优化对聚合物 /PCBM 共混形成的电池器件效率影响。通过比较不同溶剂所制备的电池性能，结果是高沸点二氯苯处理的电池器件展现了更高的光电转化效率；通过优化窄带隙聚合物的添加量（3wt%, DIO），器件的效率提高 27%。我们进一步探索了空穴传输层修饰、活性层溶剂退火处理、和极性溶剂处理器件性能的影响，获得了光电效率高达 5.46%的电池器件[3]。通过 AFM 研究光活性层的相态发现，本体异质结形貌的调控对电池器件性能提升有至关重要的影响（图 10）。这部分工作可以对本项目中太阳能电池的制备与光伏性能表征、器件优化和活性层的相态研究提供直接的经验指导。
图 10. PTIPSBDTTTz 聚合物的光伏器件性能及不同制备工艺的活性层 AFM 图
此外，还在 InTech Publisher 出版社撰写关于高效率推-拉结构窄带隙聚合物太阳能电池的结构设计和器件一书章节，深入分析了构筑高效率窄带隙聚合物的供体与受体单元类型结构；聚合物光谱吸收、能级排布与光伏性能之间的关联；研究了器件的制备工艺和优化措施、活性层形貌调控对器件光伏性能的影响。
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加入时间: 01.09.2017 - 至今
