太陽能是取之不盡用之不竭的清潔(綠色)能源，近年來隨著世界各國(guó)對(duì)環(huán)境問題的重視，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的太陽能電池成為各國(guó)科學(xué)界研究的熱點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)界開發(fā)、推廣的重點(diǎn)。相對(duì)于無機(jī)太陽能電池，聚合物太陽能電池具有成本低、制作工藝簡(jiǎn)單、重量輕、可制備成柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)，另外共軛聚合物材料種類繁多、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，通過材料的改性可以有效地提高太陽能電池的性能。因此，這類太陽能電池具有重要發(fā)展和應(yīng)用前景，成為重要的研究方向。

在科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和化學(xué)所的支持下，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所高分子物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員與有機(jī)固體科研人員合作，最近在共軛聚合物光伏材料上取得系列進(jìn)展。

在寬帶隙聚合物太陽能電池給體材料中，一直以來以MEH-PPV, P3HT等寬帶隙材料作為單層或者疊層光伏器件的主要材料。最近，他們?cè)O(shè)計(jì)合成了一種基于并噻唑的寬帶隙D-A共聚物，其能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.2%，為帶寬在2.0 eV以上聚合物光電轉(zhuǎn)化效率目前的文獻(xiàn)報(bào)道最高值，研究結(jié)果發(fā)表在Macromolecules上(Macromolecules, 2011, 44, 4035–4037)，并成為發(fā)表當(dāng)月該期刊下載量前十。他們還首次將吸電子基團(tuán)砜基引入到PBDTTT共聚物中合成了聚合物PBDTTT-S，該聚合物具有寬的吸收和較低的HOMO能級(jí)，以該聚合物為給體、PC₇₀BM為受體的聚合物太陽能電池開路電壓達(dá)到0.76 V, 能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了6.22%（Chem. Commun., 2011, 47, 8904-8906）；同時(shí)，使用BDT單元的同分異構(gòu)體BDP單元構(gòu)建了新的聚合物光伏材料，開路電壓高達(dá)0.8V、效率達(dá)到5.2%（Chem. Commun., 2011, 47, 8850-8852）。

最近，他們將PBDTTT類聚合物BDT單元上的烷氧基換成噻吩共軛支鏈、合成了兩維共軛的新型聚合物PBDTTT-C-T(見圖1)，與帶烷氧基取代基的PBDTTT-C相比，PBDTTT-C-T的空穴遷移率顯著提高，吸收光譜有所紅移并且HOMO能級(jí)有所下移，這些都有利于光伏性能的提高。以PBDTTT-C-T為給體、PC₇₀BM為受體的聚合物太陽能能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了7.6%，為目前聚合物給體光伏材料的最高效率之一，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界甚至工業(yè)界的關(guān)注（Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 9697–9702）。

基于對(duì)基于BDT單元高效共軛聚合物光伏材料的系列研究成果，他們還應(yīng)邀在Polym. Chem.上撰寫綜述文章（Polym. Chem., 2011, 2, 2453-2461）。

圖1 基于噻吩取代BDT二維結(jié)構(gòu)單元的共聚物PBDTTT-C-T的分子結(jié)構(gòu)及其與烷氧基取代聚合物PBDTTT-C的對(duì)比

中國(guó)科學(xué)院高分子物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2011年12月27日