采用合成兩種高性能聚合物PM6和D18所用的單體，通過無規(guī)共聚合成了三種三元共聚物給體材料（PL1、PL2和PL3）。三元共聚策略可以適度降低聚合物主鏈的規(guī)整性，使其在鄰二甲苯等非鹵化溶劑中的溶解度大大提高并且具有溫度依賴聚集（TDA）行為，適合綠色溶劑加工制備有機太陽能電池（OSC）。其中，基于L1的OSCs顯示出高且平衡的空穴和電子遷移率，更長的電荷分離和激子壽命，以及更好的激子離解和電荷收集能力。三元共聚物PL1的光電轉(zhuǎn)換效率達到了18.14%，且具有很低的能量損失，性能遠遠優(yōu)于PM6（15.16%）和D18（16.18%）。該研究結(jié)果為設(shè)計高性能無鹵加工聚合物給體材料提供了一條有效途徑。
近年來，基于聚合物給體和非富勒烯受體（NFA）的體異質(zhì)結(jié)（BHJ）有機太陽能電池（OSC）的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）得到了迅速提高。目前，大多數(shù)高效OSC都是由氯仿、氯苯和二氯苯等鹵化溶劑以及1,8-二碘辛烷（DIO）、1-氯萘等鹵化添加劑加工而成，這些加工溶劑和添加劑不僅對人體健康和環(huán)境有害，而且這些溶劑蒸汽的后處理程序十分復(fù)雜。因此，有必要開發(fā)可用環(huán)境友好的“綠色”溶劑加工的OSC，這些溶劑通常是指非鹵化溶劑，如甲苯、鄰二甲苯、四氫呋喃等。然而，大多數(shù)使用非鹵化溶劑制備的OSC通常會有著較差的性能。
PM6和D18是最常用的高性能（約18%PCE）聚合物供體，基于兩種聚合物的OSC通常使用氯仿、氯苯和鄰二氯苯等鹵化溶劑制備。當使用甲苯和鄰二甲苯等非鹵化加工溶劑時，僅獲得中等的PCE（約16%）。這可能是因為PM6和D18在鄰二甲苯等非鹵化溶劑中的溶解度較差，即使在高溫（100℃）下，這兩種聚合物也無法完全解聚集，且PM6和D18在稀釋鄰二甲苯溶液中無法觀察到溫度依賴性聚集（TDA）行為，在活性層膜的制備中，聚合物較差的溶解度不利于獲得最佳的相形態(tài)。無規(guī)共聚是一種潛在的策略，可以提高聚合物的溶解度，使其適用于非鹵化溶劑加工。
本文亮點：
Figure 5. Contour plots of time-resolved absorption difference spectra of PL1:BTP-eC9-2F (a), PM6:BTP-eC9-2F (b), and D18:BTP-eC9-2F (c) based blend films together with their fs-TA spectra (d)-(f) recorded at selected decay times. (g) Normalized transient kinetic traces probed at 830 nm for the GSB signal of acceptor.
綜上所述，他們設(shè)計并合成了三種具有不同摩爾比（D:A1:A2）的寬禁帶D-A1-D-A2型三元無規(guī)共聚物（PL1、PL2和PL3），它們的重復(fù)單元來源于兩種常見的給體聚合物PM6和D18。與PM6和D18相比，三元無規(guī)共聚物PL1在無鹵溶劑（鄰二甲苯）中的溶解度大大提高，這主要得益于主鏈規(guī)整性的適度降低。此外，三元無歸共聚物均具有溫度依賴的紫外吸收特性，這為實現(xiàn)使用非鹵化溶劑處理高性能OSC提供了可能性。隨后，使用窄帶隙材料BTP-eC9-4F為受體，運用鄰二甲苯制備OSC。PL1:BTP-eC9-4F共混膜形成了均勻的纖維形態(tài)和合適的相分離，相應(yīng)的器件顯示出更高和更平衡的空穴和電子遷移率，更長的電荷分離激子壽命和更好的激子離解和電荷收集能力。最終，基于PL1的最佳器件的PCE達到了18.14%，遠遠高于基于PM6（15.16%）和D18（16.18%）的器件。18.14%的PCE是迄今為止報道的非鹵化溶劑處理的OSC的最高值之一。該工作為實現(xiàn)綠色溶劑處理高性能OSC奠定了新的分子設(shè)計策略。
文章的第一作者為路皓，文章的或者共同通訊作者為劉亞輝、徐新軍、薄志山。文章的通訊單位為北京師范大學(xué)、青島大學(xué) 。
論文鏈接 ：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202203193
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