武汉大学闵杰教授团队 Nat. Commun.：聚焦有机光伏材料聚合度批次重现性

2024-02-19 来源：高分子科技

实现光电高分子材料的聚合度无批次差异合成是有机光电领域降本增效的重要途径之一。在聚合物太阳能电池中，二元或多组分共混体系中单一聚合物材料分子量变化导致的光捕获能力、结晶行为以及给受体混溶性变化，可使异质结活性层形貌产生显著变化，从而导致器件性能大幅下降，阻碍了有机光伏技术的发展和应用。然而，在光电材料偶联聚合过程中活性链处于多样化且动态的化学状态，以控制反应时间为手段或通过人眼实时观察方式难以实现高分子材料分子量无批次差异以及目标材料的宏量合成。

近期，武汉大学高等研究院闵杰教授团队通过其设计并搭建的一套原位荧光（PL）监测系统，结合数据分析处理脚本，实时跟踪聚合反应中活性链的聚合度变化情况，实现了聚合物光伏材料分子量的高精度重现及相应光伏器件无批次差异的能量转换效率。

作者在前期的工作基础上发现其所设计合成的聚合物受体材料PYT的吸收和PL光谱以及器件性能具有强烈的分子量依赖性。进一步通过实验和理论分析论证了PL光谱可以在线动态响应激子辐射和非辐射淬灭程度的变化，相较其他光谱技术可以灵敏地反映聚合物链所处的物理和化学状态。据此，作者将聚合反应过程中实时读取的PL光谱参数化为峰位移（PP）、峰强（PI）和半峰宽位移（PPC），并评估聚合反应中光谱特征参数与材料聚合度和器件性能的关联性，从而建立了在线荧光监测聚合度的表征合成系统。

图1. 聚合度监测平台的构建流程

随后，作者在PYT聚合物受体材料的基础上，控制聚合反应的时间获得了多批不同分子量的聚合物。通过在线荧光监测聚合度的表征合成平台，建立了光谱特征参数与材料聚合度和器件性能的关系模型，并评估了三种聚合物给体（PBDB-T、PM7和PM6）最优器件对应的PYT分子量。

图2. 荧光参数-分子量-器件效率模型的建立

随着关系模型的建立，作者通过控制不同聚合反应变量参数（催化剂批次、催化活性、单体纯度和反应环境湿度等），进一步结合原位PL光谱监测装置与荧光参数实时提取系统，探讨了PBDB-T基器件所对应的最优PYT分子量的无批次差异制备，在不同的反应时间下实现了目标分子量聚合物的高精度合成和宏量制备。

图3. 干扰实验的相关数据

最后，作者进一步验证了聚合度监测平台对不同分子结构类型聚合物的普适性。并且，在具有区域异构和氟取代的PYT衍生物的研究中发现单体溴的取代位对聚合速率影响较大，单体氟取代的端基诱导聚合物受体展现出强预聚集现象等；在苯并[1,2-b:4,5-b'''']二噻吩基聚合物的研究中发现随着聚合度的增加分子骨架可能会发生扭转使PL光谱蓝移的现象等。这些结果为光电高分子材料的表征研究提供了一种新的视角。

图4. 普适性研究材料体系及相关分子量与性能的关系

总之，这项研究不仅成功定制合成了具有目标分子量的光电高分子，还开发了一套实用的聚合度实时监控平台，以支持大规模的材料合成生产。这项技术的创新，有望解决中低分子量（小于50 KDa）光电高分子材料性能批次敏感性问题，从而推动有机光电高分子材料及其功能器件的进一步发展和应用。

相关工作以“Real-time monitoring polymerization degree of organic photovoltaic materials toward no batch-to-batch variations in device performance”为题发表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 15, 1248）。文章第一作者是博士研究生徐林勇与王伟博士。该研究得到了国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45510-w

下载：Real-time monitoring polymerization degree of organic photovoltaic materials toward no batch-to-batch variations in device performance

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（责任编辑：xu）

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