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  近日，南方科技大學材料科學與工程系教授郭旭崗教授課題組在Advanced Materials，Advanced Science和Nature Energy等高水平期刊上發(fā)表了酰亞胺基有機半導體的最新研究進展及綜述。

  《先進材料》(Advanced Materials,影響因子：21.95)以“High-Performance All-Polymer Solar Cells Enabled by an N-Type Polymer Based on a Fluorinated ImideFunctionalized Arene”為題發(fā)表了郭旭崗教授團隊在高性能、低能損的全聚合物有機太陽能電池方面取得的重要進展(Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201807220)，該工作打破了萘二酰亞胺和苝二酰亞胺基N-型聚合物在全聚合物電池中的壟斷地位，為發(fā)展高效的全聚合物電池提供了新思路和材料體系。

  全聚合物太陽能電池(All-PSCs)是由P-型聚合物作為電子給體材料和N-型聚合物作為電子受體材料共混制備的新型能源器件。相比較于傳統(tǒng)的富勒烯類小分子，聚合物具有更寬更強的吸收和更易修飾的分子結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對吸收、能級、結(jié)晶性等性質(zhì)的有效調(diào)制。同時，相對于非富勒烯小分子電池，全聚合物電池表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和機械性能。因此，發(fā)展高效的全聚合物電池具有重要的科學意義和商業(yè)價值。然而，全聚合物電池的能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)一直落后于其它類型的有機太陽能電池。迄今為止，只有極少數(shù)的N-型聚合物可以取得>8%的效率。發(fā)展高性能的N-型聚合物取決于優(yōu)質(zhì)的缺電子受體的設計和化學合成，而這些受體主要被兩個著名的分子萘二酰亞胺(NDI)和苝二酰亞胺(PDI)主導(圖1)。它們作為著色劑被廣泛地用于印染與染料工業(yè)中，近年來對高性能有機半導體的探索，使得NDI和PDI在有機電子領域得到復興并極大地提升了N-型聚合物的性能。盡管如此，它們的結(jié)構(gòu)特征導致聚合物骨架扭曲，從而限制了載流子傳輸，減弱了長波區(qū)域的吸收，并且難以調(diào)控材料的能級使得基于它們的全聚合物電池通常伴隨巨大的能量損失。

圖 1. (上)NDI和PDI的化學結(jié)構(gòu)以及目前性能最優(yōu)的N-型聚合物受體;(下)通過稠合與氟化策略協(xié)同作用設計新穎的單體f-FBTI2以及相應的N-型聚合物半導體。

  郭旭崗教授一直致力于發(fā)展基于酰亞胺的新型高性能有機半導體。2008年制備了首個基于NDI的共軛聚合物，經(jīng)過十余年發(fā)展，NDI聚合物現(xiàn)已經(jīng)成為最成功的N-型高分子半導體，取得了極其優(yōu)異的晶體管性能并保持著多項全聚合物電池的效率記錄。郭旭崗教授同時深入研究了酰亞胺單體家族的另外一個重要成員：雙噻吩酰亞胺(Bithiophene imide, BTI)，并構(gòu)建了一系列基于BTI的聚合物半導體(J. Am. Chem. Soc. 2011,133,1405;J. Am. Chem. Soc. 2012,134, 18427;Adv. Mater. 2012,24, 2242; Nature Photonics 2013,7,825;J. Am. Chem. Soc. 2014,136,16345;J. Am. Chem. Soc. 2015,137,12565)。與NDI和PDI相比，BTI具有更高的化學活性和大幅度減小的位阻，從而提供了一個前所未有的機會對其結(jié)構(gòu)進行拓展優(yōu)化。在前期工作中，郭旭崗教授團隊利用稠環(huán)策略成功合成了一系列(半)梯型有機半導體，并在晶體管和全聚合物電池中取得了可比于NDI和PDI聚合物的器件性能(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9924; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15304; J. Am. Chem. Soc. 2018,140,6095.)。但是，噻吩相對于苯環(huán)更富有電子,在一定程度上減弱了半導體的電子親和力。因此通過拉電子基團功能化BTI不僅會產(chǎn)生更強的電子受體單體,同時還能解決NDI和PDI結(jié)構(gòu)上的缺陷�；诖耍駦徑淌趫F隊克服了合成上的挑戰(zhàn)，成功制備出新穎的氟取代的酰亞胺及其聚合物半導體。理論計算表明,相對于沒有氟的單體f-BTI2,氟取代的單體f-FBTI2表現(xiàn)出更低的能級，有助于提升聚合物的N-型性能。

  相比于f-BTI2-T和之前報道的s-BTI2-FT和f-BTI2-FT的全聚合物電池，以f-FBTI2-F為電子受體材料的電池實現(xiàn)了性能的巨大提升，能量轉(zhuǎn)化效率達到8.1%(圖2)，同時實現(xiàn)了高達1.05V的開路電壓值和低至0.53eV的能量損失。與NDI和PDI有著不同的結(jié)構(gòu)和電子特性的新型受體單體f-FBTI2的出現(xiàn)將衍生出更多高性能N-型聚合物，為發(fā)展高效的全聚合物電池提供了全新的材料體系。

圖 2. 分子工程構(gòu)筑全新N-型聚合物并實現(xiàn)全聚合物太陽能電池性能的穩(wěn)步提升。

  郭旭崗教授課題組博士后孫會靚和研究助理湯育民為該工作的共同第一作者，已畢業(yè)本科生凌少華(現(xiàn)為新加坡國立大學機械系在讀博士生)參與了部分合成工作，通訊作者為郭旭崗教授。

  除了在全聚合物電池方面的突破，《先進科學》(Advanced Science, 影響因子：12.441)以“Phthalimide-Based High Mobility Polymer Semiconductors for Efficient Nonfullerene Solar Cells with Power Conversion Efficiencies over 13%”為題，發(fā)表了郭旭崗教授團隊在高性能P-型有機半導體材料方面的重要進展，及該材料在高遷移率有機場效應晶體管和高效率、低能損非富勒太陽能電池中的應用 (Adv. Sci. 2019, 6, 1801743)的研究。該工作突破了基于苯并雙噻吩(benzodithiophene) 的P-型聚合物半導體材料在非富勒烯太陽能電池中的壟斷地位，為發(fā)展高性能的P-型聚合物提供了新的構(gòu)建單元和材料體系�！断冗M科學》以封底文章對該工作重點推薦。

  郭旭崗課題組碩士生陳鵬和已畢業(yè)訪問學生虞堅煒（現(xiàn)為瑞典林雪平大學在讀博士生）為該工作的共同第一作者，本科生周鑫提供理論計算支持，郭旭崗教授為通訊作者。

  由于過去十年來在酰亞胺基有機半導體材料體系的創(chuàng)新和系統(tǒng)性工作，繼2014年的綜述文章(Chem. Rev. 2014, 114, 8943.)發(fā)表后，近期，郭旭崗教授團隊應《自然能源》(Nature Energy 2018, 3, 720；影響因子：46.859)和《歐洲化學》(Chem. Eur. J. 2019, 24, 87)邀請，撰寫酰亞胺基有機半導體材料及其光電器件的綜述。

  論文鏈接：   

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201807220    

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201801743    

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/chem.201803605

  https://www.nature.com/articles/s41560-018-0181-5