瑞典查尔姆斯理工大学王二刚教授等：柔性非共轭链段实现全聚合物太阳电池高光伏和机械性能

Effects of Flexible Conjugation‑Break Spacers of Non‑Conjugated Polymer Acceptors on Photovoltaic and Mechanical Properties of All‑Polymer Solar Cells

Qiaonan Chen, Yung Hee Han, Leandro R. Franco, Cleber F. N. Marchiori, Zewdneh Genene, C. Moyses Araujo, Jin‑Woo Lee, Tan Ngoc‑Lan Phan, Jingnan Wu, Donghong Yu, Dong Jun Kim, Taek‑Soo Kim, Lintao Hou*, Bumjoon J. Kim*, Ergang Wang*

Nano-Micro Letters (2022)14: 164

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00884-8

1. 合成了一系列具有不同长度的柔性非共轭链段(FCBS)的非共轭受体聚合物。

2. 探讨了FCBS长度对聚合物受体溶解性的影响，以及对全聚合物太阳能电池光伏和机械性能的影响。

3.这项工作为设计在半导体聚合物中引入恰当的FCBS以实现全共轭聚合物不能达到的性能研究提供了有益的指导。

设计合成的一系列带有不同长度FCBS的聚合物受体PYT(S)-Cn，其和聚合物给体PBDB-T的结构如图1a所示。刚性的全共轭聚合物受体PYT-C0作为参比聚合物。在PYT-C0中引入不同长度的带有噻吩末端的硫代烷基片段(TS-Cn)(图1a中以红色突出显示)，以提供不同程度的主链灵活性。如图1b所示，所有聚合物受体与PBDB-T有相匹配的能级，有利于实现激子解离。我们对PYT(S)-Cn的溶解性进行了考察，全共轭的PYT-C0的溶解度仅为0.7 mg mL⁻¹。而对于PYTS-Cns，当FCBS掺入聚合物主链时，溶解性明显增加，PYTS-C2、PYTS-C4和PYTS-C8的溶解度分别为39.8、39.1和16.8 mg mL⁻¹。值得注意的是，通常侧链工程对聚合物结构进行修饰时，随着侧链长度的增长聚合物的溶解度会逐渐增加，而在我们的体系中，随着FCBS长度的增加，溶解度反而呈下降趋势，这表明FCBS的引入可能对聚合物的聚集性和结晶产生较大影响。进一步的掠入射广角X射线散射(GIWAXS)测试表明通过将FCBS引入PYT-C0中有效地降低了过度聚集和结晶特性，从而使PYTS-C2和PYTS-C4聚合物具有更好的溶解度。然而，当FCBS的长度过长时(如PYTS-C8)，则存在再次增强聚集和结晶度，导致溶解度降低晶体尺寸增加。

图1. (a) PYT(S)-Cn作为聚合物受体和PBDB-T作为聚合物给体的化学结构; (b) 从循环伏安法测量中获得的PBDB-T和PYT(S)-Cns的分子能级; (c) 60 ℃氯仿溶液中聚合物受体的归一化吸收光谱。

II 光伏性能的研究

为了研究FCBS的长度对聚合物受体光伏性能的影响，我们制备了ITO/PEDOT:PSS/PBDB-T:PYT(S)-Cn/PNDIT-F3N-Br/Ag的全聚合物常规结构器件。优化条件下的电流密度-电压(J-V)曲线显示基于PBDB-T:PYTS-C2的全聚合物太阳能电池表现出远高于其它聚合物受体的PCE(11.37%相较于PYT-C0的5.15%，PYTS-C4的3.73%和PYTS-C8的2.97%)(图2a和表1)。外量子效率(EQE)光谱显示，基于PYTS-C2的活性层相较于其它聚合物受体的活性层，能在其吸收范围内获得最佳有效电荷生成(图2b)。此外，我们研究了PBDB-T:PYT(S)-Cn混合体系的电荷产生、传输和复合机制。相较于其它FCBS长度的聚合物受体，基于PBDB-T:PYTS-C2混合体系在给体和受体界面处有更出色的电荷生成能力，具有较低的单分子或陷阱辅助复合和双分子复合性质。上述结果支持了PBDB-T:PYTS-C2共混物比其它PBDB-T:PYT(S)-Cns共混物有更高的Jsc和FF值。

图2. (a) J-V曲线；(b) EQE响应光谱；(c) Jph随Veff变化曲线；(d) Voc对光强度的依赖曲线。

表1. 依赖于聚合物受体FCBS长度的全聚合物太阳能电池光伏性能。

III 机械性能的研究

本文利用准独立拉伸试验方法对共混膜的机械性能进行了研究。如图3a-b，PBDB-T:PYTS-C2共混膜的COS为12.39%，韧性为2.09 MJ m⁻³，显著高于其它FCBS长度聚合物受体共混膜。此外，我们也发现拉伸前PBDB-T:PYTS-C2共混膜表面更为平整光滑，局部缺陷更少(灰点)，而其它共混膜表面可以看到非常明显的不同程度的局部缺陷(图3c，第一排)。这些不同的初始形态影响了拉伸薄膜图像中的裂纹扩展过程。由于应力集中，在进一步拉伸条件下薄膜中的原始裂纹和缺陷加速了的机械性能的失败。

图3. (a) PBDB-T:PYT(S)-Cns共混物的应力-应变曲线；(b) PBDB-T:PYT(S)-Cns混合薄膜的开裂起始应变(COS)和韧性值图；(c) 在无应变(第一排)和2.5%(PYT-C0)或5%应变(第二排)下的拉伸试样图像。绿色和红色框表示数字图像校正相机的位移追踪。

图5. PBDB-T:PYT(S)-Cn混合薄膜形貌示意图。

陈俏男

本文第一作者

暨南大学&瑞典查尔姆斯理工大学 博士后

▍主要研究领域

有机太阳能电池、刺激响应变色材料合成与降解机理研究。

▍Email：qiaonan@chalmers.se

侯林涛

本文通讯作者

暨南大学 研究员

▍主要研究领域

有机太阳能电池、无机量子点太阳能电池、有机发光器件。

▍主要研究成果

暨南大学理工学院物理学系研究员。已在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Func. Mater.、Joule、Nano Energy等国际一流期刊发表第一作者/通讯作者学术论文约100篇，授权国际专利和中国发明专利20多项，出版英文专著2部。

▍Email：thlt@jnu.edu.cn

Bumjoon Kim

本文通讯作者

韩国科学技术院(KAIST)大学 教授

▍主要研究领域

聚合物太阳能电池、聚合物电子器件、聚合物粒子。

▍主要研究成果

韩国科学技术院(KAIST)大学化学与生物工程系教授。已在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Func. Mater., Nat. Commun.等国际权威刊物上发表论SCI论文200余篇，专利50余篇，被引用16000余次，H-index = 71。

▍Email：bjkim02@kaist.ac.kr

王二刚

本文通讯作者

瑞典查尔姆斯理工大学 教授

▍主要研究领域

有机太阳能电池、光电探测器、发光二极管、发光电化学电池、电致变色、场效应晶体管和超级电容器。

▍主要研究成果

瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)化学与化学工程系教授。已在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Joule, Adv. Energy Mater., Adv. Func. Mater., Angew. Chem.等国际权威刊物上发表论SCI论文170余篇，被引用9900余次，H-index = 54。

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部