科研动态
2017年我组论文入选"中国百篇最具影响国际学术论文"
热烈祝贺我课题组论文入选2016年度"中国百篇最具影响国际学术论文"！论文为赵文超同学发表在《先进材料》上的"Fullerene-Free Polymer Solar Cells with over 11% Efficiency and Excellent Thermal Stability"（Adv. Mater. 2016, 28, 4734 ）
2016年我组在采用环境友好的简单溶剂制备高效聚合物太阳能电池方面取得新进展
相对于传统的无机太阳能电池，聚合物太阳能电池具有轻、柔、可大面积印刷等优势。由于聚合物太阳能电池的光活性层通常采用溶液旋涂的方式进行加工，溶剂的选择对其形貌以及电池的能量转化效率至关重要。目前，氯仿，氯苯，邻二氯苯等溶剂是器件制备过程中最常用的溶剂，但是这些含卤溶剂会对环境造成严重的污染，因而被禁止大规模使用。另一方面，使用单一的溶剂很难获得具有理想相分离尺度的活性层，所以研究者们开发了许多加工工艺来优化活性层的形貌，比如添加高沸点溶剂添加剂或退火处理等。但是，这些复杂的形貌优化方法往往给大面积印刷过程带来诸多麻烦，比如：高沸点（约300℃）添加剂组分难以挥发，极易残留在电池中，进而对电池的效率以及结果重现性造成不良影响。因此，发展一种简单的、环境友好的加工工艺对于聚合物太阳能电池技术的应用具有重要意义。
最近，我课题组率先将一种非卤溶剂——邻甲基苯甲醚应用到聚合物太阳能电池的制备过程中，并取得了突出成果。对于给受体为PBDT-TS1/PC71BM聚合物太阳能电池，在无需添加剂和其他后处理的情况下，使用邻甲基苯甲醚制备的器件可获得高达9.67%的能量转换效率，其中开路电压为0.79V，短路电流为17.39mA/cm2,填充因子为0.704。这一结果不仅与该材料在传统二元体系（二氯苯/1,8-二碘辛烷）下所得结果相当，而且是目前使用单一溶剂所能获得的最高效率。此外，将这种加工方法应用于另一种经典的PTB7-Th材料上，也获得了同二元体系下相当的效率。通过使用原子力显微镜和透射电镜对薄膜形貌进行表征，他们发现使用绿色单一溶剂邻甲基苯甲醚可以获得与传统二元体系相似的活性层形貌。这项研究表明完全有可能使用绿色的单一溶剂代替传统的二元体系制备高效聚合物太阳能电池，这为寻找新型加工溶剂及简化加工工艺提供了新的思路。相关结果已发表在Adv. Energy Mater. (DOI: 10.1002/aenm.201502177)上。
2016年3月22日
全聚合物太阳能电池是由共轭聚合物电子给体和聚合物电子受体材料共混制备的新型能源器件。相较于传统的富勒烯类小分子受体，聚合物受体在可见光区具有更宽更强的吸收，且其更易修饰的分子结构可以实现材料吸收光谱，分子能级和结晶性等性质的协同调制。更重要的是，通过化学结构修饰，聚合物受体可以获得富勒烯类受体材料难以获得的在低毒性非卤非芳香溶剂中的优良溶解性。绿色溶剂的成功应用这将大大推动聚合物太阳能电池领域的产业化进程。当前，绿色溶剂加工的全聚合物太阳能电池的器件效率仅为2%左右。因此，通过绿色溶剂加工以实现全聚合物太阳能电池器件的高效率具有重要的意义。
苯甲醚因其具有与传统溶剂氯苯等相似的沸点，更低的毒性和好的生物相容性，而被认为是一种理想的绿色加工溶剂。最近，我课题组利用单一绿色溶剂苯甲醚进行器件加工，实现了基于苝二酰亚胺全聚合物太阳能电池的效率突破。
在该研究工作中，我们将长烷基链2-辛基十二烷基引入到苝二酰亚胺和单噻吩的共聚物中。研究表明，长的烷基链以及分子自身的扭曲有利于打破苝二酰亚胺自身的强聚集，使得该苝类聚合物在非卤溶剂，如甲苯，苯甲醚，四氢呋喃等中均具有优异的溶解性。研究人员选取该苝类材料和聚合物（PBDT-TS1）分别作为电子受体和电子给体，通过单一绿色溶剂苯甲醚进行器件加工，在正向器件中，该体系获得5.43%的能量转化效率。此结果与传统卤素溶剂体系氯苯/氯萘加工的器件结果相当。进一步将反向器件结构引入，基于该体系的器件最终可获得6.58%的能量转化效率。相较于正向器件结果，反向器件的短路电流和填充因子均实现了显著的提高。通过对活性层的垂直相分布进行研究，结果表明在该体系中给体材料倾向于富集在活性层的上表面。因此，反向器件结构更有利于载流子向两极的传输。该工作在全聚合物太阳能电池效率上的突破展现出绿色溶剂在全聚合物太阳能电池领域中应用的光明前景。相关结果发表在Adv. Energy Mater. （DOI: 10.1002/aenm201501991）上。
2015年课题组长侯剑辉研究员荣获年度中国科学院青年科学家奖
2016年1月14日，在中国科学院2016年度工作会议上，课题组长侯剑辉研究员荣获2015年度中国科学院青年科学家奖。
中国科学院青年科学家奖是"中国科学院人才培养引进系统工程"的重要组成部分，每年评选一次，每年10人。主要表彰在科技创新活动中涌现出的先进典型和作出突出贡献的青年科技人才，在全院形成鼓励创新、激励进取的人才发展氛围。
2016年1月22日
2015年我组三篇论文入选"中国百篇最具影响国际学术论文"
热烈祝贺我课题组三篇论文入选2014年度"中国百篇最具影响国际学术论文"！三篇论文分别是张茂杰老师发表在《先进材料》上的"Synergistic Effect of Fluorination on Molecular Energy Level Modulation in Highly Efficient Photovoltaic Polymers"（Adv. Mater. 2014, 26, 1118 ），国霞同学发表在《先进材料》上的" Enhanced Photovoltaic Performance by Modulating Surface Composition in Bulk Heterojunction Polymer Solar Cells Based on PBDTTT-C-T/PC71BM"（Adv. Mater. 2014, 26, 4043），叶龙同学发表在《材料化学》上的"Highly Efficient 2D-Conjugated Benzodithiophene-Based Photovoltaic Polymer with Linear Alkylthio Side Chain"（Chem. Mater. 2014, 26, 3603）。
2015年10月26日
2015年我组提出聚合物太阳能电池绿色加工的普适方法
聚合物太阳能电池是一种极具潜力的光伏技术，最近我们组和中国海洋大学合作在国家自然科学基金委、科技部、中科院基金的大力支持下，在绿色溶剂加工方面取得突破进展，基于PBDT-TS1:PCBM的器件可以取得高达9.47%的能量转换效率，是目前文献报道的最高值。我们发现该方法也广泛适用于其他高性能聚合物光伏体系。该工作发表在英国皇家化学会旗下Journal of Materials Chemistry A杂志上。
2015年我组提出新型薄膜太阳能电池准确测量的方法
以聚合物太阳能电池、钙钛矿太阳能电池为突出代表的新型薄膜太阳能电池，正是由于其具备无机太阳能电池所不具备的优点：来源丰富，制备成本低，可制备大面积的柔性器件等，被认为是具有巨大潜力的新型光伏技术。薄膜太阳能电池的关键指标是能量转换效率。由于各国的实验室采用的模拟器光谱以及硅参考电池不同，建立一个统一的标准来评价其能量转化效率对太阳能电池研究具有至关重要的意义。2006年美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的Yang Yang研究组联合美国能源部可再生能源国家实验室的科学家基于P3HT、MEH-PPV等宽带隙材料，初步建立了有机太阳能电池准确测量的方法, 并一直沿用至今，然而该方法难以适用于近年来新开发的高性能窄带隙光伏材料。在报道突破性效率时更是需要第三方权威认证机构，即必须持有ISO/IEC 17025 TAF认证资格的测试中心，如美国的可再生能源国家实验室NREL，德国的Fraunhofer太阳能研究所FISE，日本的产业技术综合研究所AIST，以及我国的中国计量科学院NIM）进行标定。如何准确测量具有不同光谱响应的光伏材料的能量转换效率是新型薄膜太阳能电池领域一个亟待解决的难题。
最近在国家自然科学基金委员会、国家质检总局、中国科学院、北京市科学技术委员会的基金支持下，中科院化学所、台湾光焱科技有限公司联合国家权威光伏认证机构——中国计量科学院，在基于不同（4种等级的）太阳光模拟器/（6种响应范围的）标准硅电池组合的条件下分别测算了9种具有不同带隙（或光谱响应）的光伏材料的光谱适配因子，据此他们提出了新型太阳能电池的效率准确测量的通用方法，可用于有机小分子、聚合物、钙钛矿等多类太阳能电池的测试中。该工作发表在英国皇家化学会旗下的Journal of Materials Chemistry C上，引起国内外同行的广泛兴趣，并入选该期刊当月Most Read Articles。
2014年我组在高效两维共轭聚合物光伏材料的分子设计方面取得新进展
具有两维共轭结构的苯并二噻吩类聚合物是由中科院化学所研究人员发展起来的一类高性能的聚合物光伏材料，这类材料具有宽吸收、高迁移率等突出优点成为聚合物太阳能电池领域的研究热点。近三年来，化学所高分子物理与化学国家重点实验室的研究人员在两维共轭聚合物光伏材料及其在聚合物太阳能电池方面的应用进行了系统研究。前期研究中，他们发现将苯并二噻吩类聚合物侧链上的烷氧基换为共轭的噻吩烷基, 能量转换效率都得到了有效的提升 (Angew. Chem. Int. Ed. 2011,50, 9697-9702;Macromolecules 2012,45, 3032-3038; Macromolecules 2012,45, 9611-9617)。在此基础上，他们对其分子结构、聚集态结构和光伏特性进行了深入研究，发现扩大共轭（Adv. Mater. 2012,24, 3383-3389; Adv. Mater. 2013,25, 3449-3455; J. Phys. Chem. C 2013,117, 9550-9557）可以有效调制聚集态结构，引入吸电子基团（Adv. Mater. 2014, 26, 1118-1123; Adv. Mater. 2014, 26, 2089-2095）可以有效调制分子能级。
最近，在中国科学院、国家自然科学基金委，北京市科委和化学所的大力支持下，该课题组的研究人员又在上述工作基础上将线性烷硫基取代的噻吩作为官能团引入到苯并二噻吩类聚合物中，设计和合成了新型两维共轭聚合物PBDT-TS1。在最优条件下，基于PBDT-TS1:PC71BM的正向结构聚合物太阳能电池能量转化效率高达9.48%，为目前具有同类结构的聚合物光伏器件的文献报道最高值。原子力显微镜、透射电镜以及X射线衍射等测试表明PBDT-TS1能形成了具有10-20 nm尺度的互穿网络和良好的pi-pi堆积，因而获得了较高的能量转换效率。研究结果发表在美国化学会《化学材料》期刊上(Chem. Mater. 2014, 26, 3603-3605)，引起国内外同行的广泛兴趣，并成为发表当月该期刊下载量前十。此外，他们将硒吩烷基作为共轭侧链引入到苯并二噻吩类聚合物，设计和合成的两维共轭聚合物PBDTTT-EFS也能获得高达8.78%的能量转换效率（Macromolecules 2014, 47, 4653-4659），也成为发表当月该期刊下载量前十。
基于高效两维共轭聚合物光伏材料的系列研究成果，他们应邀在美国化学会《化学研究述评》期刊发表了综述论文（Acc. Chem. Res. 2014, 47, 1595-1603），总结了两维共轭聚合物光伏材料的分子设计策略，也成为发表当月该期刊下载量前二十。
2014年9月3日
我组应邀在Accounts of Chemical Research上撰写综述论文
近三年来， 我组在两维共轭苯并二噻吩类聚合物光伏材料的分子设计取得一系列原创性进展，在国际上引起广泛的研究兴趣，先后在化学/材料领域主流期刊J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci., Chem. Commun., Macromolecules, Small, J. Mater. Chem. , J. Phys. Chem. C, Polym. Chem.发表SCI论文30余篇，申请/授权专利10余项。 这些研究成果得到本领域广泛的认可，被包括诺贝尔化学奖获得者Alan J. Heeger教授在内的国内外同行引用超过2000次。
2014年4月应美国化学会(ACS)旗下的顶级综合性期刊Acounts of Chemical Research (化学研究评述，IF=20. 833) 邀请撰写评述论文，系统介绍他们在高效两维共轭聚合物光伏材料的分子设计和器件应用方面的工作。该论文发表后随即入选该期刊Most Read Articles。
2014年5月30日
2014年我组在聚合物光伏材料分子能级调节方面取得新进展
近几年来，两维共轭聚合物由于具有宽吸收、高迁移率的优点成为聚合物光伏材料领域的研究热点，从材料设计角度分析，在不影响聚合物吸收光谱和迁移率的前提下，有效的调节其分子能级是这类材料取得突破的最有效途径之一。因此，找到一种简单、有效的调节聚合物分子能级的方法是一项十分重要的工作。
在中国科学院、科技部、国家自然科学基金委和化学所的大力支持下，化学所高分子物理与化学国家重点实验室相关研究人员合理利用烷氧基的诱导效应，优化取代位置，将间位烷氧基苯基引入到两维共轭聚合物的侧链, 在基本不影响吸收光谱和迁移率的前提下，使得相应聚合物的HOMO 能级下降0.25 eV, 相应光伏器件的开路电压提高0.18 V, 能量转化效率从5.6% 提高到7.5%，提高幅度超过了30%。该结果打破了烷氧基作为供电子基团的传统设计思路，为高效聚合物光伏材料的精细调节提供了实验依据。相应研究结果发表在近期的《先进材料》上（Adv. Mater. 2014, 26, 2089–2095）。文章发表后被著名科学网站Science Daily报道，并给出了高度评价。他们认为"这是一种在不影响聚合物的吸收和电荷传输性能情况下非常有效降低聚合物的HOMO 能级、从而可提高能量转化效率的简单、廉价的化学修饰方法。
2014年4月16日
我组研究成果荣获2013年度北京市科学技术二等奖
2014年3月25日上午，北京市委、市政府隆重举行2013年北京市科学技术奖励大会。会上，北京市政府领导宣读了"关于2013年度北京市科学技术奖励的决定"。中科院化学所李永舫院士、侯剑辉研究员等完成的 "聚合物太阳电池光伏材料的研究" 项目获得2013年度北京市科学技术奖二等奖。
2014年3月26日
2013年高开路电压的蓝光聚合物体系的研究进展
最近我们将新型的二维共轭聚合物PBDTBDD (Macromolecules 2012,45 (24), 9611-9617) 应用到高LUMO能级的双取代PCBM受体，即Bis-PCBM, 在使用二元溶剂（DCB/DIO）优化后效率达到6.07%，该结果是基于高LUMO能级受体Bis-PCBM和ICBA文献报道的最高值，开路电压高达1.00V，填充因子达到60%，性能相较于目前广泛采用的P3HT/ICBA体系毫不逊色。这表明该体系是一类极具潜力的蓝光吸光层，有望用于高效串联或并联器件中。最新一期美国科技媒体Vertical News以"Investigators at Chinese Academy of Sciences Report Findings in Physical Chemistry"为题报道了我们的研究成果。（J. Phys. Chem. C 2013, 117(48), 25360–25366）
2013年基于苯基取代二维共轭BDT的高效光伏聚合物的研究进展
最近我们设计合成了一种新型的光伏聚合物PBDTP-DTBT。这种聚合物具有合适的带隙（1.70 eV）和较低的HOMO能级(-5.35 eV). 在使用0.5% 含量的DIO作为添加剂的条件下，基于PBDTP-DTBT: PC71BM (1:1.5, w/w) 的聚合物太阳能电池获得了8.07% 的能量转化效率，其中开路电压为0.88 V, 短路电流为12.94 mA/cm2 和填充因子为70.9%。同时，我们使用原子力显微镜、透射电镜、掠入射X射线衍射以及共振软X射线散射等测试手段对共混物PBDTP-DTBT /PC71BM的形貌进行了研究，结果表明添加剂的使用有效的增强了聚合物的结晶，同时形成了有利于激子分离和电荷传输的多尺度形貌，因而获得了较高的效率。（Adv. Mater. 2013, 25, 4944–4949）
2013年11月10日
2012年聚合物太阳能电池微观形貌调控方法与机理方面取得重要进展
近年来，形貌的优化成为进一步提高聚合物太阳能电池能量转换效率的关键问题，尽管二元混合溶剂（一般是主溶剂和添加剂组成）对给受体的结晶行为和相区大小的调节已取得良好的效果，而它对更精细的形貌参数，如相区纯度、相区界面的调节还无能为力。在中国科学院、科技部、国家自然科学基金委和化学所的大力支持下，本课题组在聚合物太阳能电池活性层微观形貌调控方法与机理方面最近取得重要进展。
图1 聚合物太阳能电池的材料与器件结构
最近我们首次引入三元混合溶剂对基于PDPP3T和PC71BM的聚合物太阳能电池(结构见图1) 表面形貌、本体相区、结晶行为进行系统的研究，并与美国北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University）物理系的研究人员合作运用共振软X射线衍射、二维掠入射广角X射线衍射等一系列手段分析了从单一溶剂到三元混合溶剂的聚合物太阳能电池活性层给受体形貌的演变过程。通过系统的变量调节发现，三元混合溶剂比例为DCB/CF/DIO = 76:19:5 (v/v) 时结晶性最好，相区尺寸较小，相区纯度最高，相区界面较粗糙（如图2所示），从而获得6.71%的能量转换效率 这是目前基于DPP类材料的单层电池的最高效率之一。同时，我们的研究表明PDPP3T是极有潜力的红吸光材料(λedge >900nm Voc>0.65V PCE>6%) 有望用于高效叠层器件的构筑中。
该研究是首例将三元混合溶剂引入聚合物太阳能电池制备中获得成功的范例，揭示了溶剂体系的理性选择对器件的性能提升有重要的影响 也为高效率材料的器件优化提供了一个新的途径。研究结果发表在近期的《先进材料》上（Advanced Materials，2012，24， 6335-6341），工作发表以后被著名科学网站Science Daily以"How Solvent Mixtures Affect Organic Solar Cells Structure"为题作了新闻报导。
图2 从一元溶剂到三元溶剂的给受体形貌的演化示意图
高分子物理与化学国家重点实验室
2012年12月21日
http://www.iccas.ac.cn/xwzx/kydt/201212/t20121221_3726282.html
2012年聚合物光伏材料的分子设计方面取得系列进展
聚合物光伏材料的分子结构与其光伏性能具有十分密切的关系。根据目前报道的结果来看，对光伏聚合物的分子结构优化大多是针对某一个聚合物来进行的，也就是说，对于不同的分子结构，人们需要采用不同的方式对其进行优化。这不仅增大了分子结构优化工作的难度，也容易导致错过很多具有潜力的分子结构单元。因此，找到一种能改善聚合物光伏性能的具有广泛适用性的方法将是一项十分重要的工作。在中国科学院、科技部、国家自然科学基金委和化学所的大力支持下，化学所高分子物理与化学国家重点实验室和有机固体院重点实验室在聚合物光伏材料的分子结构设计方面最近取得系列进展。
图1 两维共轭BDT单元与两维共轭聚合物的分子结构结构示意图
研究人员将二维共轭结构引入到苯并二噻吩(BDT)单元中，设计了如图1所示的噻吩取代BDT二维共轭结构单元，并将这一单元与各种共轭结构单元共聚，获得了一系列的具有二维共轭结构的共轭聚合物（见图1）。光伏测试结果表明，这类二维共轭聚合物与烷氧基取代的对应聚合物相比，光伏能量转换效率（PCE）都得到了有效的提升（见图1和图2 相关结果发表于Macromolecules 2011 44 4035 ; Macromolecules 2012 45 3032 ; Macromolecules 2012 DOI:10.1021/ma301254x ; Chem. Commun. 2011 47 8850 ; J. Mater. Chem. 2012 DOI: 10.1039/c2jm32931j））。其中基于二维共轭聚合物PBDTTT-C-T的聚合物太阳能电池的效率提高到7.6%（Angew. Chem. Int. Ed.，2011，50，9697）。我们与香港大学合作，通过使用新型器件结构，使PBDTTT-C-T的光伏效率进一步提高到8.79% (Adv. Mater. 2012，24，3046)。PBDTTT-C-T为目前最好的聚合物光伏材料之一。我们还与美国马萨诸塞大学（University of Massachusetts）的研究人员合作，通过射掠X射线衍射对聚合物太阳能电池活性层形貌进行了清晰地表征（Adv. Mater.，2012，24）。
图2 含噻吩共轭支链的二维共轭聚合物与含烷氧基支链的非二维共轭聚合物光伏性能对比
（青色——非二维共轭聚合物；橙色——二维共轭聚合物）
同时，研究人员还把强吸电子基团sulfonyl引入到聚合物PBDTTT中合成了PBDTTT-S该聚合物具有较低的HOMO能级，基于PBDTTT-S的光伏器件PCE达到6.22% 开路电压达到0.76 V（Chem. Commun. 2011 47: 8904）。最近，我们通过插入噻吩p-桥和噻吩取代制备了二维共轭聚合物PBDTDTTT-S-T，该聚合物具有较好的平面结构和较强的链间相互作用，基于PBDTDTTT-S-T的聚合物太阳能电池的PCE最高达到7.81%（Adv. Mater. 2012 24 3383）。
需要指出的是，采用二维共轭概念对聚合物的光伏性能进行改进是2004年由化学所研究人员首次提出（专利：（1）"一种支链共轭聚噻吩衍生物材料及其制备方法"，中国发明专利，申请日：2004年11月1日。授权公告日：2007年10月31日，专利号：ZL 2004 1 0088723.8；（2）"一种两维共轭聚合物及其制备方法与应用"，中国发明专利，申请日：2005年11月20日。授权公告日：2010年5月5日，专利号：ZL 2005 1 0132380.5；代表性论文：J. Am. Chem. Soc.2006 128 4911；Macromolecules2006 39 594）。目前取得的研究成果是我们二维共轭聚合物光伏材料研究工作的有力延续。
高分子物理与化学国家重点实验室
2012年9月24日
2011年在聚合物太阳能电池方面取得重要进展
在宽带隙聚合物太阳能电池给体材料中，一直以来以MEH-PPV P3HT等宽带隙材料作为单层或者叠层光伏器件的主要材料。最近，我们设计合成了一种基于并噻唑的宽带隙D-A共聚物，其能量转换效率达到5.2%，为带宽在2.0 eV以上聚合物光电转化效率目前的文献报道最高值，研究结果发表在Macromolecules上(Macromolecules 2011 44 4035–4037)，并成为发表当月该期刊下载量前十。我们还首次将吸电子基团砜基引入到PBDTTT共聚物中合成了聚合物PBDTTT-S，该聚合物具有宽的吸收和较低的HOMO能级，以该聚合物为给体、PC70BM为受体的聚合物太阳能电池开路电压达到0.76 V 能量转换效率达到了6.22%（Chem. Commun. 2011 47 8904-8906）；同时，使用BDT单元的同分异构体BDP单元构建了新的聚合物光伏材料，开路电压高达0.8V、效率达到5.2%（Chem. Commun. 2011 47 8850-8852）。
最近，我们将PBDTTT类聚合物BDT单元上的烷氧基换成噻吩共轭支链、合成了两维共轭的新型聚合物PBDTTT-C-T(见图1)，与带烷氧基取代基的PBDTTT-C相比，PBDTTT-C-T的空穴迁移率显著提高，吸收光谱有所红移并且HOMO能级有所下移，这些都有利于光伏性能的提高。以PBDTTT-C-T为给体、PC70BM为受体的聚合物太阳能能量转换效率达到了7.6%，为目前聚合物给体光伏材料的最高效率之一，引起国内外学术界甚至工业界的关注（Angew. Chem. Int. Ed. 2011 50 9697–9702）。
基于对基于BDT单元高效共轭聚合物光伏材料的系列研究成果，我组还应邀在Polym. Chem.上撰写综述文章（Polym. Chem. 2011 2 2453-2461）。
图1 基于噻吩取代BDT二维结构单元的共聚物PBDTTT-C-T的分子结构
及其与烷氧基取代聚合物PBDTTT-C的对比
2011年12月27日