構(gòu)建三元無規(guī)共聚物是當(dāng)前設(shè)計合成高性能聚合物太陽能電池給體材料的有效策略之一。一般來說，第三基團的引入將不可避免地導(dǎo)致熵增和聚合物骨架的無序性；另一方面，選擇適當(dāng)?shù)牡谌鶊F可以增強分子間的相互作用，從而抵消骨架無序性造成的分子聚集減弱。近日，四川大學(xué)彭強團隊通過在高性能聚合物PM6中引入強極性的第三基團TzBI，設(shè)計合成了一系列三元無規(guī)共聚物，實現(xiàn)了對薄膜納米形貌的精確調(diào)控，制備了高開路電壓、高填充因子和能量轉(zhuǎn)換效率高達18.36%的聚合物太陽能電池器件。
圖1 三元無規(guī)共聚物的設(shè)計思路和合成步驟
圖2 基于不同聚合物給體材料的有機太陽能電池的J-V曲線和EQE曲線
圖3 聚合物太陽能電池器件的光物理過程和納米形貌表征
該團隊對器件的光物理過程進行了系統(tǒng)表征。通過使用瞬態(tài)吸收光譜、空間電荷限制電流法、光電流/暗電流測試和不同光強下的器件性能表征等技術(shù)手段（圖3左圖），發(fā)現(xiàn)了基于PM6-TzBI-10的聚合物太陽能電池器件具有更高效的激子解離、更平衡的電荷傳輸和更少的陷阱態(tài)電荷復(fù)合。這一系列光物理過程的提升都指向了更加優(yōu)化的薄膜形貌。從掠入射廣角X射線散射表征（圖3右圖）中得出，TzBI的引入擴寬了聚合物分子間的層間堆積距離，這和分子骨架的無序性有關(guān)。在引入5-15% TzBI的聚合物中，晶體尺寸略微增加，而在引入20% TzBI后，由于強極性基團引入的分子間相互作用增強，晶體相干長度迅速增大。這表明不同含量TzBI的引入可以影響晶體結(jié)構(gòu)和晶體尺寸。在混合薄膜中，隨著TzBI含量的增加，聚合物給體和小分子受體的結(jié)晶度和晶體尺寸都顯著提高，特別是L8-BO的晶體相干長度從15.3 nm提高到了24.8 nm。通過平衡分子間作用和分子骨架無序性對晶體結(jié)構(gòu)和尺寸的影響，最終實現(xiàn)了對薄膜共混形貌的精確調(diào)控，在PM6-TzBI-10中實現(xiàn)了最優(yōu)的光物理過程和器件性能。
這一工作通過引入強極性第三基團平衡了分子間相互作用和分子骨架的無序性，設(shè)計合成了高性能三元無規(guī)共聚物給體材料PM6-TzBI-10，為三元無規(guī)共聚物給體材料的設(shè)計提供了指導(dǎo)。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208950
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