日本广岛大学的尾坂格教授与大阪大学、京都大学、千叶大学、高亮度光科学研究中心组成的联合研究团队，开发出了含氟原子的独特半导体聚合物。研究发现，制作有机薄膜光伏电池时涂覆这种半导体聚合物，可以提高输出电压和能源转换效率（将太阳能转换为电力的效率）。另外还查清了氟原子在半导体聚合物化学结构中的位置是如何影响半导体聚合物的性质和有机薄膜光伏电池的特性的。
可通过在塑料基板上涂覆该类半导体聚合物形成薄膜的方法制作有机薄膜光伏电池，由此能降低生产成本并减轻环境负荷，而且容易实现大面积化。此外还具有轻量化、柔软性、透明性和室内光下拥有高转换效率等优点。因此作为新一代光伏电池备受关注，有望开拓目前常见无机光伏电池难以实现的用途，比如IoT传感器、移动和可穿戴电源、光伏窗户、塑料大棚电源等。不过，提高能源转换效率是有机薄膜光伏电池实用化面临的最重要挑战，为此必须开发新的半导体聚合物。
广岛大学研究团队以前曾开发过当时全球最高水平转换效率的半导体聚合物“PNTz4T”（图1A），联合研究团队尝试在其中导入氟。此前虽然已经在PNTz4T的A位置（图1A）导入了氟，但未在量子化学计算显示更加有效的B位置导入（图1B）。此次结合大阪大学的研究团队利用其他化合物开发的最新氟导入技术，除A位置外，在B位置（图1A）也成功导入了氟。
图1 （A）PNTz4T的化学结构与氟的导入位置。（B）通过量子化学计算解析得到的PNTz4T的分子轨道分布（上为LUMO，下为HOMO）。LUMO相对存在于B位置，HOMO存在于A位置。
要想提高有机薄膜光伏电池的转换效率，半导体聚合物与富勒烯衍生物分子轨道能量的匹配非常重要。量子化学计算显示，仅在A位置导入氟时，分子轨道的HOMO（最高占据分子轨道）会向低能级移动。因此与有机薄膜光伏电池电压相对应的分子轨道能级差（ΔEHL）会增大，有助于提高效率（图2）。但问题是与电流相对应的能量（Eg）会增大（Eg越小，电流越高）。而在B位置导入氟时，预计分子轨道的LUMO（最低未占分子轨道）会向低能级移动。因此，联合研究团队开发了A和B位置都含氟的半导体聚合物（F2-F2），并利用千叶大学研究团队自主开发的光电子能谱测量装置对分子轨道能级进行了精密解析，发现HOMO和LUMO均向低能级移动，ΔEHL增大，Eg保持不变（图2）。
图2：分子轨道（HOMO和LUMO）的能级在半导体聚合物和富勒烯衍生物中的关系
在PNTz4T中导入氟后，HOMO和LUMO的能级发生变化。在A位置导入氟，仅HOMO的能级降低，ΔEHL增大，因此电压升高；但由于Eg也增大，电流降低。在A和B两个位置均导入氟的话，HOMO和LUMO的能级均降低，ΔEHL增大，Eg保持不变。
论文信息
题目：Impact of Non-Covalent Sulfur–Fluorine Interaction Position on Properties, Structures, and Photovoltaic Performance in Naphthobisthiadiazole-Based Semiconducting Polymers
期刊：《Advanced Energy Materials》
DOI：10.1002/Aenm.201903278
文：JST客观日本编辑部翻译编辑
