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北京化工大學李韋偉教授團隊揭示了給受體雙纜共軛高分子相分離調控的關鍵因素:給南方彩票|手机app下载、受體的協同結晶
2019-09-04  來源:高分子科技

  近日南方彩票|手机app下载南方彩票|手机app下载,北京化工大學李韋偉教授團隊的最新研究結果揭示了調控給受體雙纜共軛高分子相分離的關鍵因素:給南方彩票|手机app下载、受體的協同結晶,首次在單組分有機太陽能電池領域提出“協同結晶”概念,為高性能雙攬型共軛聚合物提供了普適性分子設計策略南方彩票|手机app下载南方彩票|手机app下载。相關成果以Research Articles形式發表在Angew. Chem. Int. Ed.上南方彩票|手机app下载南方彩票|手机app下载,題目為“Crystalline Cooperativity of Donor and Acceptor Segments in Double-Cable Conjugated Polymers toward Efficient Single-Component Organic Solar Cells”,DOI: 10.1002/anie.201910489。中國科學院化學研究所李誠副研究員為論文第一作者,李韋偉教授為通訊作者。

  單組分有機太陽能電池的活性層只含一種共軛聚合物,具有穩定性好以及制備工藝簡單的特點,在大規模卷對卷印刷生產中具有優勢南方彩票|手机app下载。雖然歷經幾十年的研究發展南方彩票|手机app下载,這類電池的光電轉換效率仍然遠低于本體異質結型有機太陽能電池。主要原因是在單一材料中分子內給南方彩票|手机app下载南方彩票|手机app下载、受體的相分離調控難度大南方彩票|手机app下载;诖南方彩票|手机app下载,李韋偉教授團隊一直致力于從分子層面揭示單組分共軛材料相分離調控的關鍵因素,以此實現高性能的單組分有機太陽能電池。

  首先,研究人員設計合成出兩種新型雙攬共軛聚合物,結構式如圖一所示,其主鏈均為PBDB-T給體聚合物南方彩票|手机app下载,側鏈為PBI受體片段。在P1PBI受體對稱且垂直地分布在主鏈聚合物兩側。在P2PBI受體不對稱且傾斜地分布在主鏈聚合物兩側。這兩個聚合物擁有相同的給受、體結構,在電池工作過程中與給南方彩票|手机app下载、受體本征性質直接相關的參數沒有差別,唯一不同的是受體片段的分布方式。因此這兩個聚合物是從分子層面探究給受南方彩票|手机app下载、體結晶行為與相分離關系的理想模型南方彩票|手机app下载。

圖1.雙攬聚合物的化學結構式及其分子內微納相分離示意圖

圖2.聚合物的吸收光譜圖及DSC圖

  聚合物的吸收光譜中R1、R2峰屬于受體片段PBI的吸收,且其峰值強度比可以反映受體的結晶程度。R3峰屬于主鏈PBDB-T的吸收。從吸收圖中可以明顯看出P1的R3峰較P2紅移20納米左右,說明主鏈聚合物在P1中的結晶優于P2南方彩票|手机app下载。此外南方彩票|手机app下载,P2的R1/R2值大于P1,這說明受體PBIP2中的結晶優于P1。同時結合DSC數據發現P1的相變行為與主鏈聚合物類似,而P2在250度左右有明顯的相變,這個相變峰很有可能是PBI結晶造成的。

圖3.聚合物的AFM圖

  聚合物的AFM圖顯示P1的薄膜中主要以纖維狀晶體為主南方彩票|手机app下载,P2的薄膜中主要以沙粒狀晶體為主南方彩票|手机app下载。P1的薄膜隨著退火溫度的升高其粗糙度在下降南方彩票|手机app下载,而P2的薄膜隨著退火溫度的升高粗糙度在明顯升高。這說明P1中給體和受體協同結晶性優于P2。

圖4.聚合物的GIWAXS圖

  聚合物的二維X射線衍射(GIWAXS)結果顯示P1P2薄膜相對于基底均以face on的取向為主。結合純給體PBDB-T和純受體PBI各自的衍射數據南方彩票|手机app下载,他們認為在退火過程中P1P2薄膜(h00)衍射峰的變化由聚合物主鏈主導,(010)衍射峰的變化主要由受體側鏈主導南方彩票|手机app下载。在P1的薄膜中(h00)和(010)距離均隨著退火溫度的升高而減小,說明P1在退火過程中給南方彩票|手机app下载、受體協同結晶。在P2薄膜中(010)距離隨退火溫度的升高而減小,但是其(h00)距離隨退火溫度升高明顯變大南方彩票|手机app下载,這說明在P2中PBI的過度結晶會“拉扯”主鏈,導致主鏈的結晶性變差。

圖5. 聚合物的電荷傳輸性能

  在此基礎上南方彩票|手机app下载,研究人員通過有機場效應晶體管器件研究了這兩個聚合物的電荷傳輸性能。這類雙攬型共軛聚合物中空穴傳輸能力由給體主鏈提供,電子傳輸能力由受體提供。P1的空穴和電子遷移率均隨著退火溫度的升高而增加,說明P1中給南方彩票|手机app下载、體和受體協同結晶。P2的電子遷移率隨溫度升高明顯增加南方彩票|手机app下载,而空穴遷移率隨溫度升高而降低,這與GIWAXS結果一致,在P2中PBI的過度結晶會“拉扯”主鏈,導致主鏈的結晶性變差。

表1. 聚合物的光伏性能

  這兩個聚合物在退火過程中給、受體結晶協同性的差異必然會導致不同的光伏性能。如表1所示,P1的光伏性能隨退火溫度升高而升高南方彩票|手机app下载,P2的光伏性能隨退火溫度升高而降低,尤其是在200度退火后光伏性能急劇下降。除此之外南方彩票|手机app下载,研究人員還和國家納米科學中心劉新風教授、東華大學唐正教授、上海交通大學劉烽教授團隊合作南方彩票|手机app下载,系統研究了該類單組分電池的光電轉換過程中的激子擴散與電荷傳輸機制南方彩票|手机app下载。

  這一系列研究證明了給、受體協同結晶對于單組分有機太陽能電池形貌調控的重要性,為今后高性能能單組分有機太陽能電池材料的開發奠定基礎∧戏讲势眧手机app下载!袄蠅匮b新酒”的單組分有機太陽能電池擁有巨大的研究價值和應用潛力。

  文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201910489

作者簡介:

  李誠副研究員南方彩票|手机app下载,2010年7月于北京師范大學獲得學士學位,2015年7月于中國科學院化學研究所獲得博士學位。畢業后留中國科學院化學研究所工作,2018年3月任副研究員。研究方向為有機光電材料的設計南方彩票|手机app下载、合成及應用南方彩票|手机app下载。

  李韋偉教授,博士生導師,2005年于中國科學技術大學獲學士學位,2010年于中國科學院化學研究所獲博士學位南方彩票|手机app下载,2010-2011年、2011-2014年分別在加拿大阿爾伯達大學和荷蘭埃因霍溫理工大學從事博士后研究。2015年入職中國科學院化學研究所并入選中組部青年千人計劃南方彩票|手机app下载。2019年起,于北京化工大學材料科學與工程學院任教授。研究方向為有機半導體材料及器件南方彩票|手机app下载。

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