叶龙/陈雨JMCA热点论文：协同优化双聚合物给体型三元有机光伏电池的效率与拉伸性

【文章信息】

协同优化双聚合物给体型三元有机光伏电池的效率与拉伸性

第一作者：李明飞

通讯作者：叶龙教授*，陈雨副研究员*

单位：天津大学，中国科学院高能物理研究所

【研究背景】

目前为止，研究人员已经开发了很多策略来提升有机光伏电池（OSCs）的能量转换效率。三元共混能显著降低器件制备的复杂性和生产成本，受到了领域内越来越多的关注，被认为是优化聚合物给体与小分子受体二元共混体系效率最为有效的策略。当前，三元OSCs中最常用且性能最好的活性层通常由聚合物给体与两个小分子受体共混而成。而基于双聚合物给体和小分子受体的OSCs进展却远远落后。迄今为止，只有少数双聚合物给体型三元OSCs比相应的二元OSCs具有更好的性能。这主要是聚合物相互缠结而导致的复杂相形态难以控制，难以形成利于电荷分离与传输的混合相。此外，优选出在能级、吸收光谱、空穴迁移率和相形态等方面完美匹配的两种聚合物给体是领域内面临的一大挑战，这严重制约了双聚合物给体型三元共混体系的发展。

【文章简介】

近日，来自天津大学的叶龙教授与中国科学院高能物理研究所的陈雨副研究员展开合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Synergistic Optimization of Mechanical and Photovoltaic Properties in Ternary Organic Solar Cells from a Two‐donor Polymer Blend”的研究论文，并入选该期刊热点论文（HOT Paper）。该项研究得到了国家自然科学基金、天津化学化工协同创新中心以及天津大学北洋学者英才计划等基金的经费资助。同步辐射X射线散射测试得到了北京同步辐射装置1W1A漫散射实验站的大力支持。

该工作通过在聚合物:非富勒烯小分子共混体系PM6:N3中引入少量的半次晶性聚合物给体PTQ10，实现了光伏与力学性能的协同优化，并研究了新聚合物给体组分的加入对三元共混体系的力学和光伏性能的影响，揭示了此类三元共混体系中薄膜结构和力学性能之间的内在关系。此外，作者证明了等效盒模型可以有效地预测这类三元共混体系的弹性模量变化趋势（图1），这为其他多组分有机光伏共混体系的研究提供了参考。

图1.半次晶性聚合物给体PTQ10的引入对有机光伏电池活性层力学/光伏性能的影响

【本文要点】

要点一：匹配双聚合物给体实现对光伏与拉伸性能的协同优化

基于前期提出的分子有序性划分标准，作者引入2D半次晶性的共轭聚合物PTQ10（图2）作为第三组分来调控三元OSCs的相形态和性能。当向共混体系中加入适量（20wt%）的PTQ10时，器件光伏效率得到提升。与二元体系相比，三元共混体系具有更好的短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）和填充因子（FF）。作者通过FOE和PFQNM等薄膜力学表征发现，当PTQ10的含量为20wt%时共混薄膜的断裂伸长率也达到最优。

图2. 聚合物给体PM6和PTQ10的分子有序性分析。

要点二：建立三元共混体系微观结构与光伏/力学性能之间的关系

基于北京同步辐射装置1W1A漫散射实验站的GIWAXS表征（图3），作者发现PTQ10的加入导致的分子有序性变化是性能提高的主要原因。与PM6相比，PTQ10具有更简单的结构以及更有序的分子排列。少量（20wt%）PTQ10的添加促进了分子间π-π堆积以及链缠结。在拉伸过程中，高分子链的解缠结以及π-π堆积结构的破坏则需要更多能量。同时，三元体系中更有序的分子排列和更高的π-π堆积强度有利于器件光伏性能的提升。

图3. 三元共混薄膜的AFM、GIWAXS表征及数据解析。

要点三：预测双聚合物给体型三元有机光伏共混体系的弹性模量

从高分子物理原理出发，作者通过等效盒模型进行了三元共混体系弹性模量的组成依赖性的预测，即可通过简单地输入单组分薄膜的弹性模量数据实现对这类三元共混体系的弹性模量预测（图4）。这项工作为目前三元有机光伏共混体系的研究提供了一些新的启发。

图4. 双聚合物给体型三元有机光伏共混体系的弹性模量预测模型

【文章链接】

“Synergistic Optimization of Mechanical and Photovoltaic Properties in Ternary Organic Solar Cells from a Two‐donor Polymer Blend”

https://doi.org/10.1039/D2TA10091F

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【通讯作者简介】

叶龙简介：天津大学英才教授、博导，2020年入选国家高层次青年人才计划。现主要从事有机/高分子光电功能材料的凝聚态结构表征与调控以及构效关系方面的研究。作为负责人承担北京同步辐射装置、上海光源、澳大利亚光源、国家蛋白质科学研究（上海）设施以及中国散裂中子源等国内外大科学装置的10余项课题。

​以第一作者/通讯作者在Nat. Mater.（1篇）、Joule（3篇）、Adv. Mater.（8篇）、Matter（1篇）、 Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）、Aggregate（4篇）、Mater. Today（2篇）、Adv. Energy Mater. (10篇)、Adv. Funct. Mater. (5篇)、Sci. China Chem.（3篇）、Macromolecules（5篇）等国际著名期刊发表论文80余篇，在英文专著中撰写了4篇章节。全部论文引用次数超过16000, H-因子64，先后入选英国皇家化学会高被引作者以及 J. Mater. Chem. A、Chem. Commun.、Sci. China Chem.、Chin. J. Chem.、Mater. Today Energy等多个期刊的新锐科学家。2019-2022 年连续四年入选科睿唯安-全球高被引科学家，在 2022 RSC PreDoc Symposium 被评为优秀导师。

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陈雨简介：中国科学院高能物理研究所副研究员，北京同步辐射装置1W1A漫散射实验站运行负责人。目前主要从事研究方向为同步辐射光束线技术应用，特别是利用掠入射X射线散射方法开展薄膜材料的结构表征。主持及参与多项国家重点研发计划课题、国家自然科学基金项目、中科院维修改造项目、中科院修购专项等基金项目。

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【第一作者介绍】

李明飞，2021年本科毕业于合肥工业大学高分子材料与工程专业，目前在天津大学材料学院叶龙教授指导下攻读硕士学位，作为第一作者在J. Mater. Chem. A发表一篇论文。

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