聚合物太陽能電池具有獨特的優勢，可以滿足不同的應用需求，因此具有巨大的發展潛力，自問世以來便受到廣泛關注。經過三十年的發展，研究人員設計合成出了大量的共軛聚合物光伏材料，相應的光電轉換效率最高已經超過了14%。為了進一步提升性能，需要深入研究共軛聚合物光伏材料的構效關系。
聚噻吩乙烯是一類很有代表性的共軛聚合物材料。具有分子平面性好、共軛程度優異、載流子遷移率高等優勢。然而，噻吩乙烯類聚合物的光伏性能卻不高。論文的第一作者王曉晨博士及合作者在2013年發表文章闡述了噻吩乙烯聚合物的能量損失（電壓損失）遠超過聚合物光伏材料的平均水平，這可能是導致其光伏性能差的重要原因。幾年來，這一現象的內部原因仍然不是很清楚。噻吩-乙烯-噻吩(TVT)單元是噻吩乙烯結構構筑單元的典型代表，基于TVT單元的聚合物材料遷移率屢次打破世界紀錄，目前已達11 cm2 V?1 s?1。然而，同樣，基于TVT單元的聚合物材料光伏性能也較差，光電轉換效率絕大部分都小于6%，能量損失集中在0.8-1.2 eV, 如圖1所示。
圖1. 基于TVT衍生物的聚合物光伏材料能量損失與效率
周二軍研究員團隊通過稠合將TVT單元中獨立的雙鍵與鄰近噻吩環稠合，形成ETVT單元，通過電子云結構重構前后的變化，研究噻吩乙烯類聚合物材料結構-能量損失-效率之間的關系。研究發現稠合有利于提高聚合物的光伏性能，降低器件的能量損失。尤其，在基于ITIC的非富勒烯聚合物太陽能電池中，稠合后的聚合物光電轉換效率提高了一倍以上，如圖2所示，能量損失從典型的0.8 eV降低到了0.67 eV，如圖1所示。
圖2. 聚合物結構與光伏性能
相關研究結果發表在Macromolecules (DOI: 10.1021/acs.macromol.8b00805)上，本論文第一作者為國家納米科學中心副研究員王曉晨博士，通訊作者為周二軍研究員。
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