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華南理工大學應磊教授等《Macromolecules》: 優化給受體匹配實現高效本征可拉伸有機光伏薄膜

2023-11-03 來源：高分子科技

有機太陽電池（OPVs）具有材料結構可控、輕柔、可溶液印刷加工、產品無毒等優點，因此在可穿戴設備和植入式醫療器械等領域具有廣泛的應用前景。然而，要實現高效的可拉伸器件，有機太陽電池需要解決一個關鍵問題，即在給體/受體共混薄膜中形貌結構和電子結構的耦合問題，這代表了機械形變和光物理性能之間的相互作用。

為了解決這一問題，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室的應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，實現了對聚合物薄膜多尺度結構的調控，包括吸收與能級、主鏈構象、有序堆積與聚集結構的調控，顯著提高了薄膜的裂紋起始應變（COS）。修飾后的聚合物給體/受體（D/A）的匹配性通過OPV性能進行評價，其中PO-5:NV-10的組合表現出最平衡的機械可拉伸性與光伏性能。進一步通過溶劑添加劑二芐醚對薄膜形貌進行優化，使薄膜的斷裂伸長率超過20%的同時，器件的功率轉換效率基本不變。

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位置數量；（c）模型聚合物鏈的分子動力學旋轉半徑分布；（d）Free-standing拉伸測試示意圖;（e）給體/受體聚合物材料的應力–應變曲線；（f）BHJ混合薄膜的相對結晶度；（g）BHJ混合薄膜的拉伸性能。

這些結果強調了在實現本征可伸縮的OPV時，選擇合適的給體/受體組合的重要性。盡管通過鏈內修飾等策略可相對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。這是因為電子結構在多個長度尺度上發生變化，包括鏈內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，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，例如在拉伸形變過程中，薄膜的多尺度結構的動態行為仍不甚清楚，這需要更復雜與更精準的表征技術，以闡明分子結構和形貌水平上在重復形變過程中的變化。這項工作的成果以 “Intrinsically Stretchable Organic Photovoltaic Thin Films Enabled by Optimized Donor–Acceptor Pairing” 為題發表在《Macromolecules》上，第一作者為華南理工大學博士研究生羅軒昂，通訊作者為華南理工大學的應磊教授和鐘文楷副教授。該工作獲得國家自然科學基金委的支持。布魯克海文國家實驗室與勞倫斯伯克利國家實驗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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（責任編輯：xu）

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