注：文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析
有机太阳能电池质轻、柔性、可溶液加工及大面积制备，具有广阔的应用前景。但早期研究进展缓慢，能量转换效率较低，本体异质结结构的出现极大地加快了有机太阳能电池的发展进程。随着新材料的开发和器件工艺的进步，基于本体异质结结构的有机太阳能电池能量转换效率目前已接近15%。这种本体异质结结构在活性层中将给体与受体共混，形成连续的互穿网络结构，因此需要合适的相分离尺度，过大的相分离尺度或完全共混均不利于激子扩散、解离以及电荷传输。另外，给受体的物理共混也使稳定性难以保证，不利于大面积制备与实际应用。
单组分光伏材料集给体与受体于一体，以共价键的形式将给受体连接在一起，能有效控制给体或受体的自聚集，有利于形成小尺度的纳米相分离。单一组分的活性层能够简化器件的制备工艺，共价键的连接有望提高器件的稳定性。然而，随着本体异质结的迅猛发展，单组分太阳能电池的研究却鲜有报道。其可选材料有限，主要有“rod-rod”或“rod-coil”的棒型嵌段共聚物以及给、受体各自分布在主链与侧链的“double-cable”双缆型共轭聚合物。这些材料的合成难度大，分子内给、受体材料的纳米相分离调控困难，器件效率多年来仍处于较低水平，通常不大于3%。2017年8月，中国科学院化学研究所的李韦伟课题组报道了一组共轭主链为吡咯并吡咯二酮类给体高分子、侧链为苝酰亚胺受体的双缆型共轭聚合物，通过“先侧链功能化、后聚合”的设计思路极大降低了单组分聚合物的合成难度，同时解决了这类材料合成时结构不明确、重复性差的问题。他们通过增长给受体之间烷基链的长度、改善聚合物的结晶性，调节活性层薄膜的相分离，实现了2.74%的器件能量转换效率。
最近，该课题组提出了“线型骨架”分子的设计思路，以直线型共轭高分子苯并二噻吩的均聚物PBDTT为给体共轭骨架、苝酰亚胺为侧链受体单元，合成了一组具有线型结构的双缆型共轭聚合物，并将硫原子和氟原子引入共轭主链，调节聚合物的能级和结晶性。作者通过对薄膜形貌的研究发现，该聚合物的给体共轭主链以及受体单元在薄膜中具有“face on”的堆积取向和尺寸约为5 nm的微相分离，这种形貌有利于单组分电池中的激子分离和电荷传输。他们将该聚合物应用于单组分太阳能电池中，获得了高内、外量子效率以及当前最高的单组分有机太阳能电池效率（4.18%）。该工作表明，“线型骨架”分子设计的方法能有效调控单组分聚合物的微相分离，提高激子的解离效率和电荷传输效率，为高性能单组分太阳能电池的研究提供新思路。
（a）聚合物结构以及最优器件的性能；（b）聚合物主链共轭骨架的理论计算优化构型；（c）聚合物薄膜的GISAXS；（d）聚合物薄膜状态下纳米结构的示意图。
该工作发表在国际化学顶级期刊Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是中国科学院化学研究所的博士研究生冯贵涛。
该论文作者为：Guitao Feng, Junyu Li, Fallon J. M. Colberts, Mengmeng Li, Jianqi Zhang, Fan Yang, Yingzhi Jin, Fengling Zhang, René A. J. Janssen, Cheng Li, and Weiwei Li
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
“Double-Cable” Conjugated Polymers with Linear Backbone toward High Quantum Efficiencies in Single-Component Polymer Solar Cells
J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 18647, DOI: 10.1021/jacs.7b10499
李韦伟研究员简介
李韦伟，2005年毕业于中国科学技术大学，2010年于中国科学院化学研究所获得博士学位，2010-2011年和2011-2014年在加拿大阿尔伯达大学和荷兰埃因霍温理工大学从事博士后研究；2015年入选中组部“第十一批”青年千人计划，2015年起任中国科学院化学研究所研究员、博士生导师；课题组的研究兴趣是有机半导体材料及其光电器件，尤其是近红外共轭材料的设计、合成及其在有机场效应晶体管和有机太阳能电池方面的应用。
李韦伟
http://www.x-mol.com/university/faculty/37841
课题组主页
http://liweiwei.iccas.ac.cn/
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：如上所述，有机太阳能电池发展迅猛，单节本体异质结太阳能电池器件的能量转换效率近年来已突破13%，离实际应用更近一步。而这类器件的活性层由给体和受体两种材料混合而成，器件优化步骤繁杂，稳定性难以保证。因此我们最初的目的是希望能够开发出一类单组分的材料来解决这一问题，通过将具有给体与受体功能的材料用柔性链连接起来，使同一材料同时具有给体和受体的功能，且能够高效工作。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：该研究中最大的挑战在于合成部分，研究的聚合物采用“先侧链功能化、再聚合”的设计思路，需要先合成侧链功能化的单体。而单体合成开始并不顺利，含有端基官能团的单体无法合成或产率极低，最终通过端基官能团进行保护与消除保护的方法得以解决。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：该研究属于探索性的基础研究，主要成果还集中于单组分太阳能电池材料的设计、合成以及为器件性能优化提供新的思路，对单组分太阳能电池的研究团队具有启发意义。我们同时也希望该工作能够激起有机太阳能电池研究同行们对单组分太阳能电池的兴趣，共同努力推动有机太阳能电池的发展，为进一步走向实际应用而努力。
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
