聚合物太陽能電池因其質輕、材料結構易于“裁剪”和能夠實現“卷對卷”印刷制備大面積低成本柔性器件而備受國內外科學界和產業界的關注，是重要的前沿研究領域。近年來，器件的光-電轉換效率不斷攀升，主要得益于光活性層材料的設計和開發。但聚合物太陽能電池技術的產業化進程的核心瓶頸問題是如何制備高性能高穩定性的聚合物薄膜。
同步輻射掠入射X射線散射技術是研究有機/無機薄膜材料微觀結構的重要方法。上海光源小角散射站（BL16B1 ）自對用戶開放以來，一直致力于掠入射散射技術的方法學研究和發展。經線站人員的努力，掠入射X射線廣角散射GIWAXS平臺取得了良好的實驗結果。
近期，中科院青島能源所陽仁強課題組在上海光源BL16B1線站，應用掠入射散射技術系統地開展了側鏈調控對聚合電池性能的影響機制。獲得了電池器件的微觀結果形貌，特別是有關活性層結晶特性的清晰圖片，有力解釋了材料光伏性能提高的內在機理。一是基于苯并二噻吩（BDT）的給體-富勒烯受體的作用機制，開發了不對稱BDT聚合物體系，通過引入不同的側鏈基團，在保證材料低HOMO能級的情況下，研究發現此類設計的體系更有效地增強分子鏈間的堆積，加快載流子的遷移，因此相應器件的開路電壓和短路電流以及填充因子實現了大幅度提高。在主鏈不變的情況下，不對稱BDT的材料實現了效率的進一步提升，獲得了同類體系中的最高光電轉換效率（見下圖1）。相關成果發表于Adv. Mater.（2016, 28, 8490–8498）。更為重要的是該不對稱設計理念具有較好的普適性，為進一步開發新型高效的聚合物給體材料提供了新思路。二是和上海光源BL16B1線站科學家合作研究二維BDT側鏈苯環F原子的位置取代，發現對側鏈的精細調控能大幅改善薄膜的聚集狀態，從而有效地提高了器件的光伏性能(J. Mater. Chem. A2016, 4, 10212)。
此外，研究人員在設計合成寬帶隙材料方面也取得了重要進展。一般認為吸收邊小于600nm，或帶隙超過2.0 eV的材料為寬帶系材料，其在疊層或者多元有機太陽能電池中起著至關重要的作用，而目前有機寬帶系材料種類稀少，其中具有高效率的更是鳳毛麟角。針對此現象，陽仁強課題組和萬曉波課題組通過采用異構化的方法，將異靛藍分子轉化為一種全新的共軛結構：二苯并萘啶二酮（DBND）。該分子具有弱的拉電子效應、很高的取向性和結晶性（圖2）。基于此單體，我們合成了一類新型D-A型聚合物材料，具有非常寬的帶系（>2.2 eV），然而罕見的是，其光電轉換效率卻創紀錄的達到6.32 %，遠高于同等帶隙的材料。該類材料以其獨特的光學吸收以及優異的性能，有望取代P3HT制備高性能的有機疊層或者多元太陽能電池，相關結果發表在Chem. Mater.（2016, 28, 6196-6206）上。
圖1 不對稱BDT聚合物體系的二維GIWAXS圖
圖2 新型有機太陽能電池寬帶隙材料GIWAXS結果
文章鏈接：
Adv. Mater. 2016, 28, 8490–8498：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201602857/full
J. Mater. Chem. A 2016, 4, 10212：
http://pubs.rsc.org/is/content/articlelanding/2016/ta/c6ta03709g#!divAbstract
Chem. Mater. 2016, 28, 6196——6206
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