近年來，得益于聚合小分子受體的發(fā)展，全聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已突破19%，顯示出巨大的商業(yè)化應(yīng)用前景。由于聚合物給受體長共軛鏈間的纏結(jié)以及顯著降低的熵，在很大程度上抑制了聚合物給受體的共混性，導(dǎo)致活性層形貌調(diào)控陷入困境。常用的后處理方法，如：添加劑、熱退火、溶劑退火等，對全聚合物太陽能電池的活性層形貌調(diào)控作用有限。因此，從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，通過減少聚合物鏈間纏結(jié)并提高聚合物給受體的共混性來調(diào)控活性層形貌至關(guān)重要。 近日，成都理工大學(xué)彭強(qiáng)教授、鄧敏研究員通過將含有不同端基的Y系小分子受體與大位阻基團(tuán)BDD單元共聚，構(gòu)建了三個聚合物受體：PBTPICm-BDD、PBTPICγ-BDD和PBTPICF-BDD。
圖1. (a) 聚合物受體的分子結(jié)構(gòu)式；(b) 聚合物受體的合成路線；(c) 聚合物受體在氯仿溶液的紫外吸收圖；(d) 相關(guān)材料在薄膜狀態(tài)的紫外吸收圖；(e) 相關(guān)材料的能級示意圖. 通過密度泛函理論計算可知，PBTPICγ-BDD的端基與BDD單元的二面角分別為21.05o和22.18o，而PBTPICF-BDD表現(xiàn)出較小的二面角，分別為17.65o和17.75o，主要是端基中的氟原子與BDD單元的氫原子之間的非共價F???H相互作用抑制了分子構(gòu)型的扭曲。明星聚合物受體PY-IT的端基與π橋噻吩的二面角分別為18.51o和17.75o，小于PBTPICγ-BDD的二面角，但與PBTPICF-BDD的二面角幾乎相同，表明大位阻BDD單元相對于小尺寸的噻吩基團(tuán)確實(shí)產(chǎn)生了一定程度的扭轉(zhuǎn)，同時也會通過非共價F???H相互作用減弱。通過接觸角測試，PBQx-TCl/PBTPICm-BDD、PBQx-TCl/PBTPICγ-BDD和PBQx-TCl/PBTPPICF-BDD的Flory-Huggins相互作用參數(shù)值分別為0.15、0.07和0.08，表明聚合物給受體具有較好的混溶性。可歸因于大體積的BDD單元導(dǎo)致分子的內(nèi)部空間更大，可以有效地減少鏈間纏結(jié)，提高聚合物給受體的混溶性，抑制過度的相分離。進(jìn)一步通過AFM測試也得到驗(yàn)證。其中，PBTPICγ-BDD與PBQx-TCl制備的全聚合物太陽能電池獲得17.50%的效率，加入20%的第三組分PYF-T-o進(jìn)一步調(diào)控活性層形貌，實(shí)現(xiàn)18.64%的高能量轉(zhuǎn)換效率。 圖2. (a) 密度泛函理論計算的分子構(gòu)型；(b) 相關(guān)材料的表面能測試. 圖3. (a)二元器件的J-V曲線和(b) EQE曲線；(c)三元器件的J-V曲線和(d) EQE曲線. 圖4. 共混膜的AFM圖和PiFM圖. 論文信息 Improving Miscibility of Polymer Donor and Polymer Acceptor by Reducing Chain Entanglement for Realizing 18.64?% Efficiency All Polymer Solar Cells Dr. Min Deng, Dr. Xiaopeng Xu, Dr. Wuke Qiu, Dr. Yuwei Duan, Dr. Ruipeng Li, Dr. Liyang Yu, Prof. Qiang Peng Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202405243
