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        室内光伏电池可将室内人造光源发出的弱光转化成电能，在为物联网智能消费电子设备供电方面具有潜在应用，近年来受到人们的持续关注。由于人造光源的发射光谱主要在可见光区，发射光谱较窄，限制了器件的短路电流密度，因而室内光伏电池的效率在很大程度上依赖于开路电压。然而，由于所用光伏材料的带隙较窄，现有室内光伏电池的开路电压均低于1 V，这不利于室内光伏电池效率的进一步提升。         相对传统的基于无机半导体的光伏电池，基于高分子给体材料与高分子受体材料共混活性层的全高分子光伏电池，具有可溶液加工、带隙和能级可调、以及良好的热稳定性和较高的机械力学性能等优势，目前已经广泛用于室外的太阳能电池。但是，将全高分子光伏电池用于收集室内光尚未见报道。         在本文工作中，我们首次将全高分子光伏电池将室内人造光源发出弱光转换为电能，开发出具有高开路电压的高效室内光伏电池。我们通过选择具有宽带隙的高分子给体CD1（Eg:1.93 eV）和高分子受体PBN-10（Eg:1.95 eV）来制备活性层。由于CD1和PBN-10的吸收光谱主要在可见光区，与荧光管或有机发光二极管等室内光源的发射光谱能较好的重叠，因而，可以实现对室内入射光的有效利用。此外，给体CD1具有较低的HOMO能级，受体PBN-10具有较高的LUMO能级，两者较大的差值有利于获得较高的开路电压。器件结果显示，在室内荧光管照射下，基于CD1:PBN-10的光伏器件的开路电压可高达1.16 V，为室内光伏电池开路电压的最高值，相应器件的能量转换效率也可达 27.4%。以上工作证明了高开路电压对于高效率室内光伏电池的重要性。该工作第一次将全高分子光伏器件应用于室内光的收集，拓展出一个新的研究领域。      

        电子亲和性是π共轭分子的一个基本特征。π共轭分子本身富含电子，目前主要采用酰亚胺、卤素原子（F和Cl）、氰基以及sp2杂化氮原子等缺电子结构实现其高的电子亲和性。这在合成上限制了高电子亲和性的π共轭分子的发展空间，因此开发新的缺电子单元实现高电子亲和性一直备受关注。硼原子具有空p轨道，理论上在π共轭分子中引入硼原子应该是实现高电子亲和性和高电子迁移率的有效策略。但是，经过几十年的发展，含硼π共轭分子的高电子亲和性和高电子迁移率依旧没有得到实验上的验证，其LUMO能级绝大多数高于−4.0 eV, 电子迁移率普遍低于10-2 cm2 V-1 s-1。         在本论文中，我们提出了“向全六元环结构中引入B←N键以削弱成键张力，提高分子稳定性”的策略，开发出了两个含有四个B←N键的稠环分子：       （1）含四个硼氮配位键，并八苯构建的大尺寸稠环分子，显著提高其电子亲和性，其LUMO能级低至−4.58 eV，接近稳定n-型有机半导体的能级极限。该含硼有机分子具有高的结晶性和环境稳定性，我们进一步将其组装成有机单晶晶体管器件，其电子迁移率达到1.60 cm2 V−1 s−1，比大多数有机硼化合物的电子迁移率高出三个数量级，是首个电子迁移率超过1 cm2 V−1 s−1的含硼有机分子。这个工作成功在实验上证明了含硼有机分子可实现高电子亲和性和高电子迁移率。  J. Am. Chem. Soc. [...]

        有机太阳能电池（OSC）具有低成本、柔性和重量轻等优点，近年来受到学术界和产业界的广泛关注。目前，单节和叠层OSC的能量转换效率（PCE）分别可达16%和17.3%，可基本满足商业化生产的要求。然而，OSC的长期稳定性仍然不能有效解决，不利于其实际应用。基于小分子给体/高分子受体的OSC具有较好的形貌热稳定性，但由于缺少合适的高分子受体材料和较差的活性层形貌，目前该类电池器件较低，最高PCE不到6%。         在本文工作中，我们基于经典小分子给体DR3TBDTT的共轭骨架，利用大体积咔唑侧基取代小体积噻吩侧基，开发出具有较弱π-π相互作用的小分子给体DR3TBDTC。我们将DR3TBDTC与课题组前期开发的基于双硼氮桥联联吡啶（BNBP）的高分子受体PBN-11共混，发展出一类具有高效率和高热稳定性的小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池。         结果表明，与基于BNBP单元的高分子受体PBN-11共混时，DR3TBDTT会形成几十纳米的大尺寸聚集体，而DR3TBDTC则可形成十纳米左右的小尺寸聚集体，极大的改善了激子解离和电荷传输，使得器件的PCE从3.06%提升至8.01%。此外，我们还发现基于DR3TBDTC：PBN-11的活性层具有优异的形貌热稳定性，在180 oC连续退火7天，形貌未发生明显变化，基于相应活性层的器件PCE仅下降11%。该工作开发出一类新的具有高热稳定性和高效率的有机太阳能电池。  Z. J. Zhang, J. H. Miao, Z. C. Ding*, B. Kan, B. J. Lin, [...]

        不同于无机半导体，高分子半导体具有可溶液加工、柔性、低成本的特点，被广泛应用于有机发光二极管、有机场效应晶体管以及有机太阳能电池中。传输正电荷（空穴）的p型高分子半导体很多，而传输负电荷（电子）的n型高分子半导体的数量和种类都很少。因此，发展n型高分子半导体的设计新方法，无疑具有重要科学意义和潜在应用价值。         从原理上说，由于硼原子有空p轨道，基于三芳基硼的p-π共轭高分子应该具有n型性质，但是在实验上，p-π共轭的n-型高分子半导体从未被实现过。其原因在于两方面，一是硼原子的空p轨道容易被空气中的水蒸气和氧气进攻，导致稳定性差；二是三芳基硼的缺电子性质不够强，导致高分子的电子能级不够低。         在本论文工作中，我们成功实现了基于三芳基硼的p-π共轭n-型高分子半导体。具体实施中，我们首先在与硼原子相邻的苯环上引入两个三氟甲基作为位阻，保护硼原子的空p轨道不受水、氧的进攻，提高了三芳基硼的稳定性，然后将三芳基硼与缺电子单元共聚，降低了高分子的电子能级。以上分子设计得到的三芳基硼p-π共轭n-型高分子半导体，不仅具有低的电子能级，利于电子从电极注入到高分子；而且具有较高的电子迁移率，利于电子在高分子中的输运。我们进一步实现了该n型高分子半导体的应用，作为电子受体材料，组装了全高分子太阳能电池，能量转换效率2.8%。以上工作证明了发展基于三芳基硼的p-π共轭n型高分子半导体的可行性。该工作提出了一种新的n-型高分子半导体设计方法，将拓展出一类新的材料体系。 B. Meng, Y. Ren, J. Liu*, F. Jäkle*, L. X. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., [...]

        面向有机薄膜晶体管，相对比p-型，n-型有机小分子的种类/数量少、迁移率低、稳定性差。n-型有机小分子常采用酰胺基团、醌式结构、氮杂原子等缺电子结构，通过构筑共轭芳香稠环进行分子设计，一方面降低分子LUMO能级提高电子注入效率和稳定性，另一方面提高分子间π相互作用增强分子间电子耦合，获得高性能n-型有机半导体材料。         我们基于硼氮配位键的基本原理，提出采用硼氮配位键设计n-型有机小分子的策略，开发出硼氮配位键n-型稠环分子，发展出一类新型有机电子传输材料。突破采用酰胺基团、醌式结构、氮杂原子等缺电子结构设计n-型有机小分子的思路，我们将硼氮配位键引入到并苯结构，开发出含硼氮配位键n-型稠环分子。这类分子具有低LUMO/HOMO能级，表现出n-型半导体性质。采用溶液加工工艺组装了有机薄膜晶体管，器件表现出空气稳定的纯电子传输性质，取得了0.21 cm2 V−1 s−1的电子迁移率。另一方面，不同于其他缺电子结构，B←N键具有一些特性，一是调控分子电子结构实现LUMO轨道互变，导致LUMO轨道分布在并苯结构上，利于电子在分子间传输，二是降低共轭稠环的芳香性，利于电子在分子骨架内离域。这些含硼氮配位键n-型稠环分子不仅代表了全新的化学结构，而且为发展n-型有机半导体材料提供了新思路。该工作受到审稿人的一致高度评价，被杂志推荐到Wiley旗下的ChemistryViews网站和WeileyChinaBlog予以专题介绍。 Y. Min, C. D. Dou*, H. K. Tian, Y. H. Geng, J. Liu*, L. X. Wang, Angew. [...]

        共轭聚合物半导体在过去的几十年被广泛的研究，主要应用在OLEDs, OFETs, 光探测器和有机太阳能电池领域；与无机半导体相比，聚合物半导体有着柔性、重量轻、可溶液加工等优点；对于共轭材料的研究主要集中在共轭主链，助溶侧链及功能基团，而相比共轭主链，侧链的研究相对较少；主要集中在侧链的长度、支化点位置及新型侧链；惰性侧链对聚合物的光电性能有着重要的作用，如侧链能够提高聚合物在溶剂中的溶解性，实现溶液加工；侧链还可以调控共轭材料的聚集行为，调控活性层形貌；近几年在OFETs领域已经有很多课题组研发了新型的功能化侧链，如不同支化位点烷基链，硅氧端基烷基链，含氟烷基链等；         本文中我们成功的设计并合成了支化醚氧链，并首次应用于高分子太阳能电池给体材料；支化醚氧链的引入使共轭聚合物具有小的π-π堆积距离（3.6 Å），更高的载流子迁移率（4.14×10-3），更小的光学带隙（1.28），高的介电常数（5.5）和表面能（44.03）；由于醚氧链的作用，我们成功制作了近红外光响应器件，且性能高到5.37%，其EQE值在近红外区超过40%；更重要的是，醚氧链的引入实现了厚膜器件的制备，这对于工业化的roll-to-roll生产意义重大。 X. X. Chen, Z. J. Zhang, Z. C. Ding, J. Liu*, L. X. Wang*, Angew. Chem. Int. [...]

        全高分子太阳能电池（all-PSCs），基于共轭高分子分别作为电子给体和电子受体制备的光伏器件，具有光吸收增强以及形貌更稳定等优点，是有机光伏领域的重要研究热点。目前优秀的受体高分子主要基于含酰亚胺结构的缺电子单元，因此受体高分子的种类和数量有限，限制了全高分子太阳能电池的发展。为发展新型、高性能受体高分子材料，我们课题组最近首次报道了新型缺电子单元，双硼氮桥联联吡啶（BNBP），基于该单元制备的高分子电子受体材料，实现了良好的全高分子太阳能电池器件性能。         在此研究基础上，我们优化分子结构构型，开发了含BNBP的高性高分子受体材料，P-BNBP-fBT，实现高效全高分子太阳能电池器件。共聚单元3,3’-二氟-2,2’-联噻吩fBT，其存在的F…S弱相互作用使单元呈现平面构型，同时其成键方式实现了P-BNBP-fBT的准线性主链结构。该结构特点使P-BNBP-fBT具有有序的固态堆积和高电子迁移率。此外，fBT的缺电子特性使P-BNBP-fBT具有更低的LUMO能级。将P-BNBP-fBT作为受体材料与给体材料PTB7-Th共混制备的全高分子太阳能电池器件，实现了6.26%的光电转换效率，首次实现有机太阳电池能量损失0.51 eV，突破了有机太阳电池能量损失0.6 eV的极限，是目前文献报道的最低值。 X. J. Long, Z. C. Ding, C. D. Dou*, J. D. Zhang, J. Liu*, L. X. Wang, Adv. [...]

        与传统的高分子/富勒烯太阳能电池相比，全高分子太阳能电池（all-PSCs）具有光吸收增强以及形貌更稳定等优点。目前全高分子太阳能电池的发展受限于受体高分子的开发，因此迫切需要发展具有低LUMO能级和高电子迁移率（μe）的高分子受体材料。         鉴于p型高分子（高LUMO/HOMO能级）的种类和数量远远多于n型高分子（低LUMO/HOMO能级），我们首次提出在共轭高分子的重复单元中，使用B←N键代替C-C键可以降低共轭高分子的LUMO/HOMO能级达0.5-0.6 eV，将典型的p型高分子转变为n型高分子（Angew. Chem. Int. Ed ., 2015, 54, 3648-3652）。在此报道，基于该思想，我们开发出具有高电子迁移率的新型高分子受体材料，其全高分子太阳能电池器件的效率达到5%，和经典的高分子受体材料性能相当。         通过延长共聚单元的长度，π-π堆积距离从0.46 nm缩小到0.38 nm，有效提高分子间π轨道重叠，实现了共轭高分子的电子迁移率由P-BN-TPD的3.40 × 10–7 cm2 V–1 s–1提高到P-BN-IID的2.80 [...]