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从齐聚物到聚合物—探索有机太阳电池高性能的来源

近几十年来,共轭聚合物由于具有广泛运用于质量轻、柔性和低成本有机电子器件的潜能而受到广泛的关注。相比于齐聚物或者小分子,聚合物更容易合成与纯化,同时也具有较好的成膜性。然而聚合物不同批次之间具有分子量和分子量分布的差异导致了基于聚合物材料的电子器件的性能也存在差异。近来,尽管越来越多新型聚合物在各种电子器件(如太阳电池、场效应晶体管和光探测器等)中表现出优异的性能,但是由于聚合物自身批次影响带来的分子量及其分布的差异使得科学家们很难更准确地深入探索其中高性能的来源。

从齐聚物到聚合物—探索有机太阳电池高性能的来源


为了解决这一问题,华南理工大学的张桂传、应磊、黄飞等人采用具有相同构筑单元的一系列齐聚物和聚合物的组合来研究它们的太阳电池性能。他们首先以齐聚物S2(两个构筑单元)和S7(七个构筑单元)不同质量比例的混合物来模拟不同分子量的聚合物作为给体,以PC71BM作为受体制作了三元有机太阳电池。这就消除了聚合物不同批次带来分子量及其分布的不确定性。他们发现给体混合物中低分子量S2(具有较低的最高占有分子轨道[HOMO]能级)的含量增加会使得器件的开路电压增加,这主要是由于S2的加入提高了混合物膜的电荷转移态能级。为了更加一步的验证这个结论的普适性,他们把S2加入到相应的聚合物 P11中去形成一个新批次的聚合物作为给体,同样地获得了相似的结果。另外,三元体系S2:S7:PC71BM(20%wt S2)和S2:P11:PC71BM (40%wt S2)比它们各自的二元体系具有更高的效率。这一方面是S2的加入提高了CT态能级从而提高了开路电压;再者,对于S2:S7:PC71BM三元体系,20%wt的S2减小了S7:PC71BM中较大的相分离尺寸,提高了电荷的分离效率减少电荷复合从而提高了短路电流和填充因子;对于S2:P11:PC71BM三元体系,高结晶性的S2的加入改善了形貌和增强了共混膜的结晶性提高了空穴迁移率从而提高了填充因子。因此高分子量的齐聚物(S7)或者相应的聚合物(P11)体系中加入低分子量的齐聚物S2可以提高电池器件的开路电压和填充因子,最终获得更高效率的电池器件。这意味着在这个特殊的体系中高的开路电压和高的器件性能并不需要高分子量的给体。这些发现为以后我们设计更高效的聚合物材料和对其进行后处理提供了一些新的指导思想。


相关论文发表在Macromolecular Rapid Communication(DOI:10.1002/marc.201700090)上。原文链接为http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/marc.201700090/full, 或直接点击左下角阅读原文。


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