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南科大何鳳教授課題組《ACS Mater. Lett.》：主鏈調(diào)控增強溶液聚集優(yōu)化纖維狀網(wǎng)絡(luò)形貌實現(xiàn)高效的氯介導(dǎo)聚合物給體
2023-08-18  來源：高分子科技

  高效的激子解離和電荷傳輸影響著本體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池（BHJ-OSCs）器件的最終光伏性能。這不僅取決于其組分的材料光電子性質(zhì)，還大大取決于活性層薄膜具有良好的相分離形貌。理想的活性層薄膜形貌通常被描述為在器件制備過程中能自發(fā)地形成納米級互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種形貌可以為高效的激子解離和電荷傳輸提供足夠的界面面積和電荷轉(zhuǎn)移通道，降低電荷復(fù)合損失，確保器件的優(yōu)異性能。活性層薄膜通過溶液旋涂技術(shù)進行處理，薄膜的沉積在制備過程中是一個非平衡過程，對實現(xiàn)有利的微觀形貌的形成造成了阻力。聚合物給體是活性層中的重要組分之一。具有較強溶液聚集性質(zhì)的聚合物給體可以使得其在成膜過程中產(chǎn)生強烈的分子間相互作用影響活性層薄膜形貌的形成過程，最終的器件往往表現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能。探究聚合物給體溶液聚集性質(zhì)調(diào)控對形貌的動態(tài)演化和光伏性能間的關(guān)系具有重要的研究意義。


  近日，南方科技大學(xué)何鳳教授課題組開展了一種通過主鏈結(jié)構(gòu)調(diào)控增強氯介導(dǎo)聚合物給體溶液聚集能力的策略來逐步優(yōu)化了活性層薄膜形貌微觀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了其光伏性能的有效提升。該項研究中，作者通過聚合物主鏈調(diào)節(jié)系統(tǒng)地設(shè)計和合成了聚合物給體材料PBDQx-Cl、PBDQx-TCl和PBDQx-2TCl。 


圖1. 聚合物給體PBDQx-Cl、PBDQx-TCl和PBDQx-2TCl的合成路線


  研究表明，結(jié)構(gòu)的調(diào)整對聚合物給體的溶液聚集行為的調(diào)控有著重要影響。與PBDQx-Cl和PBDQx-TCl相比，聚合物給體PBDQx-2TCl表現(xiàn)出更強的溶液聚集能力。溶液聚集能力的增強，使得聚合物給體PBDQx-TCl和PBDQx-2TCl的純膜都表現(xiàn)出明顯的相分離形貌。其中，PBDQx-2TCl純膜表現(xiàn)出更為纖細均勻的纖維狀形貌以及更快的空穴遷移率。 


圖2. (a-c) PBDQx-Cl、PBDQx-TCl和PBDQx-2TCl的溫度依賴性吸收光譜和(d-f) 聚合物純膜形貌及其空穴遷移率 


圖3. (a, d) PBDQx-Cl:BTP-eC9、(b, e) PBDQx TCl:BTP-eC9和(c, f) PBDQx-2TCl:BTP-eC9活性層薄膜形貌


  進一步在與小分子受體BTP-eC9后，制備得到的活性層薄膜不僅保留了純聚合物薄膜的部分原始形貌特征，而且進一步優(yōu)化了相分離微觀結(jié)構(gòu)。基于PBDQx-TCl:BTP-eC9的活性層薄膜形成了如同藤蔓狀的形貌分布；赑BDQx-2TCl:BTP-eC9的活性層薄膜實現(xiàn)了完全演變的纖維狀網(wǎng)絡(luò)形貌。這種形貌可以在活性層中有利于提供大量的界面區(qū)域和電荷傳輸通道，滿足了更高效的激子解離、電荷傳輸和降低復(fù)合損失的要求。因此，在這三種聚合物中，基于PBDQx-2TCl:BTP-eC9的器件表現(xiàn)出了優(yōu)良的短路電流密度（26.49 mA cm-2）和填充因子（74.28%），實現(xiàn)了最高的光電轉(zhuǎn)化效率（16.17%）。這項研究促進了對聚合物給體溶液聚集行為和微觀形貌之間關(guān)系的更深入理解。這些結(jié)果也表明通過調(diào)節(jié)聚合物給體溶液聚集能力可以獲得良好的纖維狀網(wǎng)絡(luò)形貌，實現(xiàn)優(yōu)異的光伏性能。 


圖4. 基于PBDQx-Cl:BTP-eC9、PBDQx-TCl:BTP-eC9和PBDQx-2TCl:BTP-eC9器件的(a) J-V曲線、(b) EQE曲線、(c) Jph與Veff曲線、(d) 空穴和電子遷移率直方圖、(e) JSC與光密度關(guān)系曲線和(f) VOC與光密度關(guān)系曲線


  這項工作的研究成果已在線發(fā)表于《ACS Mater. Lett.》上，論文題目為“Backbone Tuning Enhances the Solution Aggregation to Refine Fibrillization Network Morphology for Efficient All-Chlorinated Polymer Donor”。論文第一作者為南方科技大學(xué)博士研究生蒲明瑞，共同第一作者為南方科技大學(xué)博士研究生賴雪。該工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、深圳市基礎(chǔ)研究計劃項目、深圳市科技創(chuàng)新委員會項目以及廣東省催化重點實驗室項目的共同資助。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.3c00566

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