四川大学彭强教授团队 CEJ：三元共聚策略提升PM6聚合物给体材料光伏性能

2022-09-08 来源：高分子科技

发展高性能的宽带隙聚合物给体材料来匹配非富勒烯小分子受体是进一步提升有机太阳能电池光伏性能的重要手段。PM6和D18是高性能宽带隙聚合物给体材料的典型代表，它们能够在成膜过程中自组装形成纳米纤维结构，有助于形成利于空穴和电子传输的双连续纤维网络活性层形貌。然而，这一活性层形貌对聚合物的分子量十分敏感。只有分子量在很窄的范围内才能获得较为理想的双连续网络形貌，保证电荷有效产生和分离，这使得它们表现出较严重的批次差异问题，不利于其产业化应用。

图1. （a）聚合物给体以及L8-BO受体分子结构；（b）聚合物给体材料的合成路线

近期，四川大学化学工程学院彭强教授团队在PM6聚合物链中适当引入D18的构建单元DTBT，并通过调整DTBT单元的含量，合成了一系列三元共聚物PMD-5、PMD-10、PMD-15和PMD-20 （图1），在提升聚合物器件性能的同时减少了批次差异的影响。DTBT的引入降低了聚合物PM6的能级，同时增加了其在短波长范围内的光子吸收；此外，DTBT具有更大的偶极矩，可以提升聚合物PM6的结晶性，改善空穴迁移率。通过DTBT的引入，活性层形貌也逐步得到优化。其中，PMD-15:L8-BO活性层获得了更优化的相分离形貌（图2），促进了电荷的产生和分离，抑制了电荷的复合（图3），器件的光电转换效率从PM6:L8-BO的17.22%提升至PMD-15:L8-BO的18.12%。更重要的是，与PM6和D18相比，PMD-15器件性能受其分子量的影响更小，在数均分子分子量35 – 80 kDa 范围内都表现出较高的器件性能，批次重复性更高（图4）。该研究工作充分证明了使用高性能聚合物给体材料构筑单元来构建三元无规共聚物是非常具有潜力的进一步提升光伏性能并减少批次差异的重要策略，对未来产业化应用意义重大。该成果以“Improving the Performance of PM6 Donor Polymer by Random Ternary Copolymerization of BDD and DTBT Segments” 为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者为四川大学硕士研究生陈晓薇，研究工作得到国家自然科学基金的支持。

图2. 原子力显微镜下的各活性层（a-e）高度图以及（f-j）相图

图3. （a）PM6:L8-BO和（b）PMD-15:L8-BO的飞秒瞬态吸收二维图；（c）共混膜的飞秒瞬态吸收动力学衰减曲线（激发波长：750 nm；探测波长630 nm）；（d）器件的J_ph - V_eff曲线；（d）器件的J_sc – P_light曲线；（d）器件的V_oc - P_light曲线

图4. 分子量依赖的紫外可见吸收谱：（a）PM6,（b）D18，（c）PMD-15；（d）聚合物不同分子量对应的光电转换效率

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722045259

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（责任编辑：xu）

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