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華南理工大學(xué)應(yīng)磊教授等《Macromolecules》: 優(yōu)化給受體匹配實(shí)現(xiàn)高效本征可拉伸有機(jī)光伏薄膜

2023-11-03 來源：高分子科技

有機(jī)太陽電池（OPVs）具有材料結(jié)構(gòu)可控、輕柔、可溶液印刷加工、產(chǎn)品無毒等優(yōu)點(diǎn)，因此在可穿戴設(shè)備和植入式醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，要實(shí)現(xiàn)高效的可拉伸器件，有機(jī)太陽電池需要解決一個(gè)關(guān)鍵問題，即在給體/受體共混薄膜中形貌結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的耦合問題，這代表了機(jī)械形變和光物理性能之間的相互作用。

為了解決這一問題，華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)磊研究員等通過在共軛聚合物PTzBI-Si和P(NDI2OD-T2)的主鏈中共聚引入柔性片段1,2-二(噻吩-2-基)乙烯和1,8-二(噻吩-2-基)辛烷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚合物薄膜多尺度結(jié)構(gòu)的調(diào)控，包括吸收與能級(jí)、主鏈構(gòu)象、有序堆積與聚集結(jié)構(gòu)的調(diào)控，顯著提高了薄膜的裂紋起始應(yīng)變（COS）。修飾后的聚合物給體/受體（D/A）的匹配性通過OPV性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中PO-5:NV-10的組合表現(xiàn)出最平衡的機(jī)械可拉伸性與光伏性能。進(jìn)一步通過溶劑添加劑二芐醚對(duì)薄膜形貌進(jìn)行優(yōu)化，使薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率超過20%的同時(shí)，器件的功率轉(zhuǎn)換效率基本不變。

圖1. （a）共聚柔性片段可拉伸給/受體材料的制備；（b）不同分子片段的扭轉(zhuǎn)位置數(shù)量；（c）模型聚合物鏈的分子動(dòng)力學(xué)旋轉(zhuǎn)半徑分布；（d）Free-standing拉伸測(cè)試示意圖;（e）給體/受體聚合物材料的應(yīng)力–應(yīng)變曲線；（f）BHJ混合薄膜的相對(duì)結(jié)晶度；（g）BHJ混合薄膜的拉伸性能。

這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了在實(shí)現(xiàn)本征可伸縮的OPV時(shí)，選擇合適的給體/受體組合的重要性。盡管通過鏈內(nèi)修飾等策略可相對(duì)容易地提高共軛聚合物薄膜的拉伸性能，但未必能夠提供與改性前的D/A組合相同的性能。這是因?yàn)殡娮咏Y(jié)構(gòu)在多個(gè)長(zhǎng)度尺度上發(fā)生變化，包括鏈內(nèi)和鏈間電子相互作用以及介觀尺度分布。然而，在有效的D/A匹配時(shí)，如PO-5:NV-10共混薄膜，可以在不降低光伏性能的情況下提高薄膜的可拉伸性，這為開發(fā)高效的本征可拉伸OPVs提供了一種有效的策略。然而，未來仍需解決一些挑戰(zhàn)，例如在拉伸形變過程中，薄膜的多尺度結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)行為仍不甚清楚，這需要更復(fù)雜與更精準(zhǔn)的表征技術(shù)，以闡明分子結(jié)構(gòu)和形貌水平上在重復(fù)形變過程中的變化。這項(xiàng)工作的成果以 “Intrinsically Stretchable Organic Photovoltaic Thin Films Enabled by Optimized Donor–Acceptor Pairing” 為題發(fā)表在《Macromolecules》上，第一作者為華南理工大學(xué)博士研究生羅軒昂，通訊作者為華南理工大學(xué)的應(yīng)磊教授和鐘文楷副教授。該工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也為該工作提供重要支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c01349

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（責(zé)任編輯：xu）

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