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四川大學彭強教授團隊 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一步提升有機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構，有助于形成利于空穴和電子傳輸的雙連續纖維網絡活性層形貌。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才能獲得較為理想的雙連續網絡形貌，保證電荷有效產生和分離，這使得它們表現出較嚴重的批次差異問題，不利于其產業化應用。

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

近期，四川大學化學工程學院彭強教授團隊在PM6聚合物鏈中適當引入D18的構建單元DTBT，并通過調整DTBT單元的含量，合成了一系列三元共聚物PMD-5、PMD-10、PMD-15和PMD-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化。其中，PMD-15:L8-BO活性層獲得了更優化的相分離形貌（圖2），促進了電荷的產生和分離，抑制了電荷的復合（圖3），器件的光電轉換效率從PM6:L8-BO的17.22%提升至PMD-15:L8-BO的18.12%。更重要的是，與PM6和D18相比，PMD-15器件性能受其分子量的影響更小，在數均分子分子量35 – 80 kDa 范圍內都表現出較高的器件性能，批次重復性更高（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筑單元來構建三元無規共聚物是非常具有潛力的進一步提升光伏性能并減少批次差異的重要策略，對未來產業化應用意義重大。該成果以“Improving the Performance of PM6 Donor Polymer by Random Ternary Copolymerization of BDD and DTBT Segments” 為題發表在《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者為四川大學碩士研究生陳曉薇，研究工作得到國家自然科學基金的支持。

圖2. 原子力顯微鏡下的各活性層（a-e）高度圖以及（f-j）相圖

圖3. （a）PM6:L8-BO和（b）PMD-15:L8-BO的飛秒瞬態吸收二維圖；（c）共混膜的飛秒瞬態吸收動力學衰減曲線（激發波長：750 nm；探測波長630 nm）；（d）器件的J_ph - V_eff曲線；（d）器件的J_sc – P_light曲線；（d）器件的V_oc - P_light曲線

圖4. 分子量依賴的紫外可見吸收譜：（a）PM6,（b）D18，（c）PMD-15；（d）聚合物不同分子量對應的光電轉換效率

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

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（責任編輯：xu）

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