【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】新結(jié)構(gòu)分子的設(shè)計(jì)合成是推動有機(jī)電子學(xué)發(fā)展的驅(qū)動力。在有機(jī)太陽能電池中，共軛聚合物具有良好的成膜性，但具有合成不可控和批次差異性大等缺點(diǎn)，因而材料和器件重復(fù)性欠佳，是商業(yè)化進(jìn)程中的瓶頸。共軛小分子結(jié)構(gòu)明確，解決了合成可控性和批次差異性問題。然而，電荷輸運(yùn)強(qiáng)烈依賴結(jié)晶性，最佳活性層形貌難以獲得，影響了器件性能和穩(wěn)定性。
針對小分子和聚合物存在的優(yōu)勢和不足，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員魏志祥和項(xiàng)目研究員鄧丹等，發(fā)展了介于小分子和聚合物的“N-π-N”型二聚體(即將高效率的小分子N型受體材料通過共軛基團(tuán)連接起來)。該新型二聚體材料結(jié)合了小分子和聚合物各自的優(yōu)勢，達(dá)到18.2%的器件性能，高于對應(yīng)小分子(16.2%)和聚合物(15.8%)，并表現(xiàn)出更為優(yōu)異的光、熱穩(wěn)定性。
科研人員為進(jìn)一步提升受體材料的非鹵溶劑加工性能和器件效率，以Y型受體為結(jié)構(gòu)單元，設(shè)計(jì)合成了兼具高分子量與星形低偶極矩結(jié)構(gòu)的巨型三聚受體材料(G-Trimer，圖1a)。該材料將聚集驅(qū)動力從傳統(tǒng)強(qiáng)偶極作用調(diào)整成高分子量間強(qiáng)相互作用，有效調(diào)控了受體分子在無鹵溶劑鄰二甲苯中的預(yù)聚集及成膜過程中的組裝行為(圖1b)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了非鹵溶劑的優(yōu)異加工性能和器件效率的突破。該研究以傳統(tǒng)聚合物PM6為給體材料、新型G-Trimer為受體材料的正向小面積剛性器件在鄰二甲苯加工下獲得超過19%的能量轉(zhuǎn)化效率，在空氣中狹縫涂布法刮涂制備的1 cm2柔性大面積反向器件獲得14.25%的效率，且46.2 cm2柔性大面積模組的能量轉(zhuǎn)化效率可保持在13.25%，以上效率均為迄今為止報(bào)道的無鹵溶劑加工的最高值(圖1c)。此外，基于G-Trimer的反向器件表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，80℃持續(xù)加熱4500小時(shí)，可維持近90%的初始效率(圖1d)。大分子量受體G-Trimer的設(shè)計(jì)集成了非鹵溶劑易加工、高效率與高穩(wěn)定性，為有機(jī)光伏領(lǐng)域發(fā)展提供了一類新型材料。
該研究以相應(yīng)線型二聚體(G-Dimer)和聚合物(PSMA)作為對照，高分子量和星型對稱分子結(jié)構(gòu)協(xié)同作用下的G-Trimer有以下優(yōu)勢：在鄰二甲苯溶液中表現(xiàn)出溫度依賴的預(yù)聚集(TDA)特性，并影響PM6的預(yù)聚集(圖1b，圖2a、b)，前者促進(jìn)了受體的有序聚集而后者利于PM6的有序堆積和纖維形貌的生成，降低了薄膜的能量無序度(圖2c)，利于電荷壽命的提高；在低電荷分離驅(qū)動力情況下，同時(shí)存在高效局域激子(EX)介導(dǎo)和離域激子(i-EX)介導(dǎo)共存的雙空穴轉(zhuǎn)移機(jī)制(圖2d)，促進(jìn)了低驅(qū)動力下的電荷產(chǎn)生效率，提升了光子利用率；高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，器件表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。因此，G-Trimer的設(shè)計(jì)同時(shí)提高綠色溶劑的加工性能、有機(jī)太陽能器件的效率和穩(wěn)定性，為商業(yè)化光伏受體材料的設(shè)計(jì)提供了重要的借鑒和指導(dǎo)。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《焦耳》(Joule)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)的支持。
圖1. G-Trimer性質(zhì)和性能。(a)分子結(jié)構(gòu)；(b)在鄰二甲苯溶液中的變溫吸收光譜及其旋涂成膜的吸收光譜；(c)無鹵溶劑加工下器件面積及能量轉(zhuǎn)化效率總結(jié)圖；(d)器件熱穩(wěn)定性。
圖2. (a)G-Trimer/PM6共混溶液的吸收光譜；(b)成膜過程PM6的吸收峰位置隨時(shí)間的變化；(c)共混膜的烏爾巴赫能；(d)共混膜空穴傳輸機(jī)制示意圖。
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