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在中國(guó)科學(xué)院、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和化學(xué)所的大力支持下，化學(xué)所高分子物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在聚合物光伏材料的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面最近取得系列進(jìn)展。
圖1 兩維共軛BDT單元與兩維共軛聚合物的分子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖
研究人員將二維共軛結(jié)構(gòu)引入到苯并二噻吩(BDT)單元中，設(shè)計(jì)了如圖1所示的噻吩取代BDT二維共軛結(jié)構(gòu)單元，并將這一單元與各種共軛結(jié)構(gòu)單元共聚，獲得了一系列的具有二維共軛結(jié)構(gòu)的共軛聚合物（見(jiàn)圖1）。光伏測(cè)試結(jié)果表明，這類二維共軛聚合物與烷氧基取代的對(duì)應(yīng)聚合物相比，光伏能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）都得到了有效的提升（見(jiàn)圖1和圖2, 相關(guān)結(jié)果發(fā)表于Macromolecules 2011, 44, 4035 ; Macromolecules 2012, 45, 3032 ; Macromolecules 2012, DOI:10.1021/ma301254x ; Chem. Commun. 2011, 47, 8850 ; J. Mater. Chem. 2012, DOI: 10.1039/c2jm32931j））。其中基于二維共軛聚合物PBDTTT-C-T的聚合物太陽(yáng)能電池的效率提高到7.6%（Angew. Chem. Int. Ed.，2011，50，9697）。他們與香港大學(xué)合作，通過(guò)使用新型器件結(jié)構(gòu)，使PBDTTT-C-T的光伏效率進(jìn)一步提高到8.79% (Adv. Mater., 2012，24，3046)。PBDTTT-C-T為目前最好的聚合物光伏材料之一。他們還與美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)（University of Massachusetts）的研究人員合作、通過(guò)射掠X(jué)射線衍射對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池活性層形貌進(jìn)行了清晰地表征（Adv. Mater.，2012，24）。
圖2 含噻吩共軛支鏈的二維共軛聚合物與含烷氧基支鏈的非二維共軛聚合物光伏性能對(duì)比（青色——非二維共軛聚合物；橙色——二維共軛聚合物）
同時(shí)，研究人員還把強(qiáng)吸電子基團(tuán)sulfonyl引入到聚合物PBDTTT中合成了PBDTTT-S,該聚合物具有較低的HOMO能級(jí)，基于PBDTTT-S的光伏器件PCE達(dá)到6.22%, 開(kāi)路電壓達(dá)到0.76 V（Chem. Commun. 2011, 47: 8904）。最近，他們通過(guò)插入噻吩p-橋和噻吩取代制備了二維共軛聚合物PBDTDTTT-S-T，該聚合物具有較好的平面結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的鏈間相互作用，基于PBDTDTTT-S-T的聚合物太陽(yáng)能電池的PCE最高達(dá)到7.81%（Adv. Mater., 2012, 24, 3383）。
需要指出的是，采用二維共軛概念對(duì)聚合物的光伏性能進(jìn)行改進(jìn)是2004年由化學(xué)所研究人員首次提出（專利：（1）“一種支鏈共軛聚噻吩衍生物材料及其制備方法”，中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)日：2004年11月1日。授權(quán)公告日：2007年10月31日，專利號(hào)：ZL 2004 1 0088723.8；（2）“一種兩維共軛聚合物及其制備方法與應(yīng)用”，中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)日：2005年11月20日。授權(quán)公告日：2010年5月5日，專利號(hào)：ZL 2005 1 0132380.5；代表性論文：J. Am. Chem. Soc.,2006, 128, 4911；Macromolecules,2006, 39, 594）。目前取得的研究成果是他們二維共軛聚合物光伏材料研究工作的有力延續(xù)。
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
2012年9月24日
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