【引言】
常見(jiàn)的高效有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)需要給體和受體兩種組分。此外，還有一種單組分有機(jī)太陽(yáng)能電池(SCOSCs)只包含一種雙纜共軛聚合物作為光活性材料，這種SCOSCs可以有效地提升器件的穩(wěn)定性并且簡(jiǎn)化常規(guī)的雙組分OSCs的制備過(guò)程。然而，目前SCOSCs的性能仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)OSCs。一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，雙纜聚合物的給體主鏈和受體側(cè)基通過(guò)共價(jià)鍵連接，互相牽制，容易形成無(wú)序的形態(tài)，造成嚴(yán)重的電荷重組與低的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，如何實(shí)現(xiàn)給體主鏈和受體側(cè)基的相分離對(duì)于提升SCOSCs的效率具有重要意義。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，中科院化學(xué)所/北京化工大學(xué)李韋偉教授和李誠(chéng)（通訊作者）在Joule上發(fā)表了一篇名為“Thermal-Driven Phase Separation of Double-Cable Polymers Enables Efficient Single-Component Organic Solar Cells”的文章。該研究開(kāi)發(fā)了一種新型的以PBDB-T-Cl為給體骨架和PBI側(cè)鏈為受體的雙纜共軛聚合物(PBDBPBI-Cl)，并且發(fā)現(xiàn)了高溫下聚合物薄膜中，給體與受體重新自組裝為規(guī)整結(jié)構(gòu)，從而獲得了效率高達(dá)6.3%的SCOSCs，并且展現(xiàn)了優(yōu)異的穩(wěn)定性。這也是目前單組分有機(jī)太陽(yáng)能電池的最高效率。
【圖文導(dǎo)讀】
(A) 雙纜共軛聚合物PBDBPBI-Cl的化學(xué)結(jié)構(gòu)；
(B) 主鏈PBDB-T-Cl的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；
(C) 側(cè)鏈PBI的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；
(D) PBDBPBI-Cl，PBDB-T-Cl和PBI三種薄膜的吸收光譜；
(E) PBDBPBI-Cl和PBDB-T-Cl的差示掃描量熱法分析(DSC)；
(F) PBI的DSC曲線。
(A-F) PBDBPBI-Cl薄膜在不同退火溫度下的GIWAXS圖譜；
(G) 不同退火溫度對(duì)應(yīng)的聚合物分子鏈的長(zhǎng)度；
(H) 與溫度相關(guān)的衍射峰極化圖。
(A-F) PBDBPBI-Cl薄膜在不同退火溫度下的GIMAXS圖譜；
(G) 對(duì)應(yīng)的GIMAXS散射曲線；
(H) 退火前后的分子形貌演化。
(A) 場(chǎng)效應(yīng)遷移率與退火溫度的關(guān)系曲線；
(B) PBDB-T-Cl，PBI,PBDBPI-Cl(25℃)和PBDBPBI-Cl(230℃退火)的PIA譜。
(A) 不同退火溫度下，SCOSCs的J-V曲線；
(B) 不同退火溫度下，SCOSCs的EQE曲線；
(C) 不同退火溫度下的開(kāi)路電壓、短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率；
(D) 穩(wěn)定性測(cè)試。
(A) PBDBPBI-Cl and PBDB-T-Cl:PBI在不同波長(zhǎng)下的折射系數(shù)和消光值(nk值)；
(B) 光活性層的吸收光子比例；
(C) PBDBPBI-Cl and PBDB-T-Cl:PBI的IQE曲線；
(D) PBDBPBI-Cl and PBDB-T-Cl:PBI太陽(yáng)能電池的FTPS-EQE曲線。
【小結(jié)】
研究者開(kāi)發(fā)了一種新型的雙纜共軛聚合物材料，通過(guò)溫度使其相分離，成功將SCOSCs的光電轉(zhuǎn)換效率提升至6.3%。該策略為開(kāi)發(fā)新型的雙纜共軛聚合物及其納米相分離技術(shù)提供了新的思路。
文獻(xiàn)鏈接：Thermal-Driven Phase Separation of Double-Cable Polymers Enables Efficient Single-Component Organic Solar Cells, Joule, 2019, DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.008.
李韋偉教授團(tuán)隊(duì)近年來(lái)致力于新型共軛聚合物材料及其在有機(jī)光電領(lǐng)域的研究，包括吡咯并吡咯二酮類共軛聚合物給體材料、苝酰亞胺類受體材料以及雙纜共軛聚合物類單組分材料，深入探索了材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)以及光電性能的關(guān)系。在雙纜共軛聚合物及其單組分有機(jī)太陽(yáng)能電池研究方面，針對(duì)該領(lǐng)域中材料有限、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控困難以及光電轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題，發(fā)展了雙纜共軛聚合物的合成方法，獲得了大量吸收、能級(jí)、結(jié)晶性以及遷移率可調(diào)的雙纜共軛聚合物，從分子結(jié)構(gòu)（共軛主鏈、側(cè)鏈以及連接單元）以及后處理（溶劑退火以及熱退火）等方面調(diào)控聚合物的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性與高性能的單組分有機(jī)太陽(yáng)能電池。在雙纜共軛聚合物以及單組分有機(jī)太陽(yáng)能電池方面的工作和綜述文章可見(jiàn)：
1. Diketopyrrolopyrrole-Based Conjugated Polymers with Perylene Bisimide Side Chains for Single-Component Organic Solar Cells. Chem. Mater. 2017, 29, 7073.
2. “Double-Cable” Conjugated Polymers with Linear Backbone toward High Quantum Efficiencies in Single-Component Polymer Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 18647.
3. Multifunctional Diketopyrrolopyrrole-Based Conjugated Polymers with Perylene Bisimide Side Chains. Macromol. Rapid Commun. 2018, 39, 1700611.
4. An Isoindigo-Based “Double-Cable” Conjugated Polymer for Single- Component Polymer Solar Cells. Chin. J. Chem . 2018, 36, 515.
5. A new strategy for designing polymer electron acceptors: electronrich conjugated backbone with electron-deficient side units. Sci. China Chem. 2018, 61, 824.
6. Improving Electron Transport in a Double-Cable Conjugated Polymer via Parallel Perylenetriimide Design. Macromolecules 2019, 52, 3689.
7. Thermal-Driven Phase Separation of Double-Cable Polymers Enables Efficient Single-Component Organic Solar Cells, Joule, 2019, DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.008.
8. Correlating crystallinity to photovoltaic performance in single-component organic solar cells via conjugated backbone engineering. Dyes and Pigments 2019, 170, 107575.
9. Conjugated molecular dyads with diketopyrrolopyrrole-based conjugated backbones for single-component organic solar cells. Mater. Chem. Front. 2019, DOI: 10.1039/C9QM00238C.
10. Crystalline Conjugated Polymers for Organic Solar Cells: From Donor, Acceptor to Single-Component. Chem. Rec. 2019, 19, 962-972.
11. 給體/受體雙纜型共軛聚合物材料及其單組分有機(jī)太陽(yáng)能電池器件. 高分子學(xué)報(bào)，2019，3, 209.
本文由金也供稿。
