李韦伟教授研究团队在《Macromolecules》上发表系列研究论文

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李韦伟教授研究团队在《Macromolecules》上发表系列研究论文

发文时间：2022-10-05

有机太阳能电池(OSCs)因其质轻、柔韧性好以及易加工等优点成为新一代太阳能电池的重要发展方向。对有机太阳能电池活性层进行分子设计主要有以下两个方向：（1）通过调控活性层分子结构以提升光电转换效率（PCE）。（2）由于有机化合物，质量轻，柔韧性好，具有良好的延展性，可制备柔性材料，因此增加活性层的柔性结构，增强其力学性能也是进行活性层分子设计的重要方向。

今年，李韦伟教授课题组（https://www.x-mol.com/groups/weiweili）围绕光电功能高分子的分子结构、凝聚态结构、机械性能以及光电性能开展了系列研究工作，拓展了有机太阳能电池的应用前景。

非辐射复合损失是导致有机太阳能电池开路电压（Voc）降低的关键因素，可以通过调整活性层的化学结构来降低这种影响。然而，现在却缺乏对这二者之间内在相关性的研究。本研究从设计几种带有刚性苯基连接链的双缆共轭聚合物，保证了给体（D）主链和受体（A）侧链单元之间的精确距离。苯基的数量从一个增加到三个，以提供不同的D/A距离，D/A距离分别为1.7nm，2.2nm，2.6nm；Voc从0.71V提升到0.79V再到0.84V。结果表明，通过刚性苯基连接链延长D/A距离是降低OSCs电压损失的有效方法。（Macromolecules 2022, 55, 2517−2523）

分子结构设计是实现合适的形貌调控和调整薄膜结晶度的一种良好方法。烷基链是OSC光活性层材料的重要组成部分，会影响包括电荷传输、垂直相分离、电荷复合等多个方面。基于此，作者设计合成了一系列NDI基双缆共轭聚合物，其连接链长度从己基（C₆H₁₂）延长到十六烷基（C₁₆H₃₂）。结果发现NDI受体的聚集和结晶程度在不同连接链长度中有所不同。含有己基（P10）和十二烷基（P12）连接链的材料在薄膜状态下表现出最佳的聚集和结晶性能，因此电荷传输性能最佳。此外，电压随着连接链长单调增加。故而。基于P10和P12的SCOSC展现出最佳的PCE，分别为7.70%和7.68%（Macromolecules 2022, 55, 5188−5196）

由于长链缠结，高分子量共轭聚合物表现出优异的力学性能，但由于具有刚性骨架的共轭聚合物的溶解度低，并且在聚合过程中容易沉淀，通过引入长烷基侧链和调控聚合条件，成功地获得了三种分子量的具有2-辛基十二烷基侧链的共轭聚合物OD-PM6，其数均分子量（Mns）为38.8kDa（OD-PM6_L）、81.2kDa（OD-PM6_M）、178.3kDa（OD-PM6_H），而具有2-乙基己基单元的共轭聚合物聚合物PM6的Mn为43.8kDa。支链结构和分子量对力学性能有显著影响，与PM6相比，OD-PM6_H薄膜的弹性形变区增加了超过20%，断裂伸长率的提升超过170%。此外，由于给体抑制了非辐射复合损失，基于OD-PM6_H的有机光伏器件的电压损耗低，效率超过13%。结果表明，在共轭聚合物中引入较长的侧链单元与提高高分子量，可以使有机太阳能电池具有优异的机械性能和高效率，从而拓宽其应用空间。（Macromolecules 2022, 55, 5964−5974）

利用双缆共轭聚合物代替本体异质结（BHJ）结构作为有机太阳能电池活性层，这种简化的单分子结构，将绝缘聚合物添加到活性层，形成聚合物/聚合物系统成为了可能。本次将双缆共轭聚合物JP02与绝缘柔性聚合物共混后，制备的器件在PCE略微下降的情况下，力学性能大幅提升。其中JP02/PS系统的断裂伸长率从2.48%提高到4.69%，由于共混系统薄膜生成了聚合物互穿网络，从而将PS对电荷传输的影响降至最低，PCE从7.51%略微降低到6.71%。上述结果表明，构建共轭光活性材料和绝缘聚合物的混合物是一种有效的策略，可以提高拉伸性能，同时最大程度保持电荷传输特性和光伏性能。(Macromolecules 2022, 55, 322−330)

上述研究结果表明，通过分子设计调控聚合物结构可以实现精准调整光伏性能参数从而提升光电转换效率；引入柔性结构可以有效提升活性层的力学性能，大幅拓宽有机太阳能电池的应用空间。