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四川大學(xué)彭強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì) CEJ:三元共聚策略提升PM6聚合物給體材料光伏性能
2022-09-08  來源:高分子科技

  發(fā)展高性能的寬帶隙聚合物給體材料來匹配非富勒烯小分子受體是進(jìn)一步提升有機(jī)太陽能電池光伏性能的重要手段。PM6和D18是高性能寬帶隙聚合物給體材料的典型代表,它們能夠在成膜過程中自組裝形成納米纖維結(jié)構(gòu),有助于形成利于空穴和電子傳輸?shù)碾p連續(xù)纖維網(wǎng)絡(luò)活性層形貌。然而,這一活性層形貌對聚合物的分子量十分敏感。只有分子量在很窄的范圍內(nèi)才能獲得較為理想的雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)形貌,保證電荷有效產(chǎn)生和分離,這使得它們表現(xiàn)出較嚴(yán)重的批次差異問題,不利于其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。


1. a)聚合物給體以及L8-BO受體分子結(jié)構(gòu);(b)聚合物給體材料的合成路線


  近期,四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院彭強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)PM6聚合物鏈中適當(dāng)引入D18的構(gòu)建單元DTBT,并通過調(diào)整DTBT單元的含量,合成了一系列三元共聚物PMD-5PMD-10PMD-15PMD-20 (圖1),在提升聚合物器件性能的同時減少了批次差異的影響。DTBT的引入降低了聚合物PM6的能級,同時增加了其在短波長范圍內(nèi)的光子吸收;此外,DTBT具有更大的偶極矩,可以提升聚合物PM6的結(jié)晶性,改善空穴遷移率。通過DTBT的引入,活性層形貌也逐步得到優(yōu)化。其中,PMD-15:L8-BO活性層獲得了更優(yōu)化的相分離形貌(圖2),促進(jìn)了電荷的產(chǎn)生和分離,抑制了電荷的復(fù)合(圖3),器件的光電轉(zhuǎn)換效率從PM6:L8-BO17.22%提升至PMD-15:L8-BO18.12%。更重要的是,與PM6D18相比,PMD-15器件性能受其分子量的影響更小,在數(shù)均分子分子量35 – 80 kD范圍內(nèi)都表現(xiàn)出較高的器件性能,批次重復(fù)性更高(圖4)。該研究工作充分證明了使用高性能聚合物給體材料構(gòu)筑單元來構(gòu)建三元無規(guī)共聚物是非常具有潛力的進(jìn)一步提升光伏性能并減少批次差異的重要策略,對未來產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用意義重大。該成果以Improving the Performance of PM6 Donor Polymer by Random Ternary Copolymerization of BDD and DTBT Segments” 為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者為四川大學(xué)碩士研究生陳曉薇,研究工作得到國家自然科學(xué)基金的支持。


2原子力顯微鏡下的各活性層(a-e)高度圖以及(f-j)相圖


3aPM6:L8-BO和(bPMD-15:L8-BO的飛秒瞬態(tài)吸收二維圖;(c)共混膜的飛秒瞬態(tài)吸收動力學(xué)衰減曲線(激發(fā)波長:750 nm;探測波長630 nm);(d)器件的Jph - Veff曲線;(d)器件的Jsc – Plight曲線;(d)器件的Voc - Plight曲線


4. 分子量依賴的紫外可見吸收譜:(aPM6,bD18,(cPMD-15;(d)聚合物不同分子量對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換效率


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722045259

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