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  聚合物太陽能電池具有結(jié)構(gòu)和制備過程簡單、成本低、重量輕、可制備成柔性器件等突出優(yōu)點，成為近年來國內(nèi)外研究熱點。將富勒烯衍生物受體用n-型有機半導(dǎo)體材料取代，可以克服富勒烯受體存在的可見光區(qū)吸光弱、能級調(diào)控困難和形貌穩(wěn)定性差等缺點，近年來受到研究者的關(guān)注。多種性能優(yōu)異的非富勒烯型受體被設(shè)計出來，如窄帶隙n-型聚合物受體N2200和有機半導(dǎo)體受體ITIC。 

  中科院化學(xué)所有機固體院重點實驗室研究人員發(fā)展了一系列基于噻吩取代苯并二噻吩(BDTT)與苯并三氮唑(BTA)單元的中間帶隙二維共軛聚合物給體材料，通過側(cè)鏈工程降低了HOMO能級，增強了鏈間相互作用，提高了空穴遷移率。使基于這類聚合物為給體、ITIC為受體的非富勒烯聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.4%。 

  研究人員在前期工作中發(fā)現(xiàn)，BTA單元上的兩個氫原子被氟原子取代，聚合物的HOMO能級下移0.13 eV，同時空穴遷移率顯著提高（Chem. Mater. 2012, 24, 3247-3254）。利用這類聚合物在可見-近紅外區(qū)與ITIC受體吸收互補的特點，制備了以這類聚合物為給體、ITIC為受體的非富勒烯聚合物太陽能電池。得益于氟取代聚合物J51較低的HOMO能級和較高的空穴遷移率，與無氟取代的聚合物J50相比，基于J51器件的開路電壓(V_oc)從0.71 V提高到0.82 V，能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）從4.80%提高到9.26% (Adv. Mater. 2016, 28, 8288-8295)。考慮到0.82 V的V_oc仍然不夠高，研究人員根據(jù)先前的經(jīng)驗（Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2276-2284），將硫烷基引入到BDTT單元的噻吩共軛側(cè)鏈上進(jìn)一步降低了聚合物的HOMO能級，同時還使其吸收光譜紅移。另外還發(fā)現(xiàn)所得聚合物J61更有利于采取平行于襯底方向的分子排列，這些因素都有利于提升光伏性能。基于J61與ITIC的器件V_oc和PCE分別提高到約0.9 V和9.52% (J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 4657-4664)，通過器件進(jìn)一步優(yōu)化使效率達(dá)到了10.57 % (J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15011-15018)。 

  硅烷基側(cè)鏈在共軛聚合物光伏材料的構(gòu)筑上很少受關(guān)注。盡管在有機官能團(tuán)的構(gòu)筑中，三甲基硅烷通常作為一種保護(hù)基團(tuán)使用，但很少有人關(guān)注硅烷基鏈的電子效應(yīng)。有機固體實驗室的研究人員首次在BDTT和氟取代BTA共聚物的噻吩共軛側(cè)鏈上引入硅烷基來調(diào)制聚合物的電子結(jié)構(gòu)和光伏性能。研究發(fā)現(xiàn)，得益于硅原子σ*與芳香體系上π軌道的相互作用，所得聚合物J71具有更低的HOMO能級。另外，較長的C-Si鍵也讓硅原子上的三取代烷基鏈距離主鏈更遠(yuǎn)，增加了分子的有序堆積和聚合物的結(jié)晶性。采用J71與ITIC共混制備的非富勒烯聚合物太陽能電池V_oc進(jìn)一步提升至0.94 V，器件效率達(dá)到11.41%。這一體系在給受體HOMO能級差只有0.11 eV的情況下仍然獲得了高效的受體激子電荷分離, 從而獲得了兼具高的開路電壓和高的短路電流的光伏器件，這對于重新認(rèn)識聚合物太陽能電池中的激子電荷分離的驅(qū)動力具有重要意義，也為將來的高效共軛聚合物給體光伏材料的分子設(shè)計提供了一種新思路和新途徑，將對有機光伏領(lǐng)域的發(fā)展起到促進(jìn)作用。該工作已在《自然通訊》發(fā)表 (Nat. Commun. 2016, 7, 13651). 

圖1 非富勒烯聚合物太陽能電池給體光伏材料的側(cè)鏈工程及其HOMO能級和器件性能