薄志山课题组《Adv. Funct. Mater.》：三元无规共聚策略制备高性能可绿色溶剂加工的聚合物给体材料

2022-06-17 来源：高分子科技

采用合成两种高性能聚合物PM6和D18所用的单体，通过无规共聚合成了三种三元共聚物给体材料（PL1、PL2和PL3）。三元共聚策略可以适度降低聚合物主链的规整性，使其在邻二甲苯等非卤化溶剂中的溶解度大大提高并且具有温度依赖聚集（TDA）行为，适合绿色溶剂加工制备有机太阳能电池（OSC）。其中，基于L1的OSCs显示出高且平衡的空穴和电子迁移率，更长的电荷分离和激子寿命，以及更好的激子离解和电荷收集能力。三元共聚物PL1的光电转换效率达到了18.14%，且具有很低的能量损失，性能远远优于PM6（15.16%）和D18（16.18%）。该研究结果为设计高性能无卤加工聚合物给体材料提供了一条有效途径。

近年来，基于聚合物给体和非富勒烯受体（NFA）的体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSC）的功率转换效率（PCE）得到了迅速提高。目前，大多数高效OSC都是由氯仿、氯苯和二氯苯等卤化溶剂以及1,8-二碘辛烷（DIO）、1-氯萘等卤化添加剂加工而成，这些加工溶剂和添加剂不仅对人体健康和环境有害，而且这些溶剂蒸汽的后处理程序十分复杂。因此，有必要开发可用环境友好的“绿色”溶剂加工的OSC，这些溶剂通常是指非卤化溶剂，如甲苯、邻二甲苯、四氢呋喃等。然而，大多数使用非卤化溶剂制备的OSC通常会有着较差的性能。

PM6和D18是最常用的高性能（约18%PCE）聚合物供体，基于两种聚合物的OSC通常使用氯仿、氯苯和邻二氯苯等卤化溶剂制备。当使用甲苯和邻二甲苯等非卤化加工溶剂时，仅获得中等的PCE（约16%）。这可能是因为PM6和D18在邻二甲苯等非卤化溶剂中的溶解度较差，即使在高温（100℃）下，这两种聚合物也无法完全解聚集，且PM6和D18在稀释邻二甲苯溶液中无法观察到温度依赖性聚集（TDA）行为，在活性层膜的制备中，聚合物较差的溶解度不利于获得最佳的相形态。无规共聚是一种潜在的策略，可以提高聚合物的溶解度，使其适用于非卤化溶剂加工。

本文亮点：

基于这些认识，他们使用明星聚合物给体PM6和D18的单体为重复单元，通过改变投料比，通过三元无规共聚合成了三种聚合物给体PL1、PL2和PL3。正如预期的那样，这些三元共聚物在非卤化溶剂邻二甲苯中表现出良好的溶解性。同时，PL1表现出TDA行为以及有利于器件性能的face-on分子取向。基于PL1:BTP-eC9-4F的邻二甲苯处理as-cast器件的PCE高达16.25%，且其非辐射能量损失极低，仅为0.175 eV。在基于PL1的as-cast器件中，开路电压高达0.904 V，经过热退火的处理，开路电压仍然高达0.875 V，这在高效OSC中很少实现。此外，通过使用多巴胺衍生物（m-PEDOT:PSS）处理PEDOT:PSS层，使得基于PL1的器件的PCE进一步提高到18.14%，这是非卤化溶剂处理的OSC的最高值之一。该工作表明，三元无规共聚策略有助于获得适用于绿色溶剂加工的高性能聚合物材料。

Scheme 1. (a) The chemical structures of PM6, D18 and BTP-eC9-4F. (b) The synthetic route of random terpolymers (PL1, PL2 and PL3).

Figure 1. (a) Schematic diagram of device structure. (b) The energy alignment diagram of the donor polymers and BTP-eC9-4F. (c) The normalized absorption spectra of polymers and BTP-eC9-4F as neat films. (d) The UV-Vis absorption spectra of PL1 at temperatures of 20-100 ^oC (The inset shows the solution of PL1 under 20 and 100 ^oC, respectively.)

Figure 2. (a) The J-V curves of annealed OSCs based on different polymers (for PL1, m-PEDOT:PSS instead of PEDOT:PSS is also used to serve as the charge collection layer in devices). (b) The EQE spectra of annealed devices based on the polymer:BTP-eC9-4F blend films. (c) The J_ph versus V_eff curves of annealed devices based on PL1, PM6 and D18. (d) Summary of literature reports for OSCs based on green solvent processing. (e) Dependence of open-circuit voltage on the light intensity of the annealed devices. (f) EQE_EL dependence on injected current density (annealed devices).

Figure 3. AFM and TEM images of PL1:BTP-eC9-4F(a,d), PM6:BTP-eC9-4F (b,e) and D18:BTP-eC9-4F (c,f) annealed films.

Figure 4. 2D GIWAXS patterns of the neat film of PL1 (a), PM6 (b), D18 (c), BTP-eC9-4F (d), and the line-cut profile along the out-of-plane and in-plane directions (e).

Figure 5. Contour plots of time-resolved absorption difference spectra of PL1:BTP-eC9-2F (a), PM6:BTP-eC9-2F (b), and D18:BTP-eC9-2F (c) based blend films together with their fs-TA spectra (d)-(f) recorded at selected decay times. (g) Normalized transient kinetic traces probed at 830 nm for the GSB signal of acceptor.

综上所述，他们设计并合成了三种具有不同摩尔比（D:A1:A2）的宽禁带D-A1-D-A2型三元无规共聚物（PL1、PL2和PL3），它们的重复单元来源于两种常见的给体聚合物PM6和D18。与PM6和D18相比，三元无规共聚物PL1在无卤溶剂（邻二甲苯）中的溶解度大大提高，这主要得益于主链规整性的适度降低。此外，三元无归共聚物均具有温度依赖的紫外吸收特性，这为实现使用非卤化溶剂处理高性能OSC提供了可能性。随后，使用窄带隙材料BTP-eC9-4F为受体，运用邻二甲苯制备OSC。PL1:BTP-eC9-4F共混膜形成了均匀的纤维形态和合适的相分离，相应的器件显示出更高和更平衡的空穴和电子迁移率，更长的电荷分离激子寿命和更好的激子离解和电荷收集能力。最终，基于PL1的最佳器件的PCE达到了18.14%，远远高于基于PM6（15.16%）和D18（16.18%）的器件。18.14%的PCE是迄今为止报道的非卤化溶剂处理的OSC的最高值之一。该工作为实现绿色溶剂处理高性能OSC奠定了新的分子设计策略。

文章的第一作者为路皓，文章的或者共同通讯作者为刘亚辉、徐新军、薄志山。文章的通讯单位为北京师范大学、青岛大学。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202203193

招聘启示：青岛大学功能染料与应用技术研究院诚聘博士后及研究助理若干人。课题组致力于光电材料与器件的研究，包括太阳能电池材料、器件物理、钙钛矿太阳能电池、发光二极管和柔性可穿戴器件等，博士后招聘详情请访问（http://rlzy.qdu.edu.cn/info/1010/1779.htm）。只要你也一样有激情有梦想，请加入他们，一起相聚在青岛开创未来，有意者请联系：liuyh@qdu.edu.cn.

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻