鮑哲南Adv. Energy Mater: 了解低聚聚苯乙烯側鏈分布排列對全聚合物太陽能電池性能的影響

【引言】

近年來，共軛聚合物給體材料和受體材料的顯著發展促使著研究人員在不斷地開發更高性能的全聚合物太陽能電池器件。聚合物太陽能電池為有機太陽能電池中的一種，其光敏層主要由共軛聚合物和富勒烯及衍生物組成，而全聚合物太陽能電池則是將聚合物太陽能電池中的富勒烯材料換成聚合物材料，也就是說在光敏層中全部使用的是聚合物材料，這也使得全聚合物太陽能電池具有制造工藝簡單，成本低，太陽能光譜覆蓋良好，化學性質和形態穩定等諸多優點。許多全聚合物太陽能電池都具有較低的短路電流(J_SC)和填充因子(FF)，這是由聚合物的低載流子遷移率所引起的。因此，研究人員一直尋求在有機場效應晶體管器件測量下具有高電荷載流子遷移率的給體-受體(D-A)型共軛聚合物。

【成果簡介】

近日，來自斯坦福大學的鮑哲南教授(通訊作者)團隊在Advanced Eenergy Materials上發表了一篇題為“Understanding the Impact of Oligomeric Polystyrene Side Chain Arrangement on the All-Polymer Solar Cell Performance”的文章，文中報道了該研究團隊有關光敏層中聚合物的分子形態對全聚合物太陽能電池性能影響的最新研究成果。在該文中，低聚聚苯乙烯(PS)側鏈引入共軛主鏈被證明可以增強半導體聚合物的加工性和電子性能。研究者制備兩種具有不同摩爾百分比的PS側鏈的給體和受體聚合物，以研究闡明它們的取代分布排列對于全聚合物太陽能電池性能的影響。當PS側鏈在給體聚合物上被取代時，觀察到的電池器件性能較低，當PS側鏈在受體聚合物上被取代時，觀察到的電池器件性能較高。研究表明，將PS側鏈引入受體聚合物有助于共混聚合物膜中相分離疇尺寸的降低，然而減小的疇尺寸仍然比典型的激子擴散長度大一個數量級。詳細的分子形態學研究以及原始PS、給體和受體聚合物的溶解度參數的估計顯示，每個組分的溶解度的相對值主要對相分離結構域的純度有正向作用，這強烈影響了光電流的的數量和太陽能電池的整體性能。

【圖文導讀】

圖1.D-PS_X和A-PS_X的合成路線

合成D-PS_X時，Pd(PPh₃)₄為催化劑；合成A-PS_X時，Pd₂(dba)₃CHCl₃為催化劑。

圖2.電池性能表征

(a)D-PS_X/A-PS_X全聚合物太陽能電池效率

(b)D-PS_X/A-PS_X全聚合物太陽能電池短路電流密度J_SC

(c)D-PS_X/A-PS_X全聚合物太陽能電池開路電壓V_OC

(d)D-PS_X/A-PS_X全聚合物太陽能電池填充因子FF

圖3.共混膜的RSoXS數據

(a-c)PS側鏈在受體聚合物中的數量分別為0%、5%和10%；

(d-f)在給體聚合物中具有固定量的PS側鏈的散射曲線。

所有RSoXS數據是在287 eV下測試獲得的，其中不同聚合物之間的散射對比度與不同量的PS側鏈附著相似。

圖4.共混膜的熒光猝滅行為

(a-c)PS側鏈在受體聚合物中的數量分別為0%、5%和10%；

(d-f)不同PS側鏈數量的給體聚合物的PL猝滅行為。

圖5.相互作用和溶解度參數確定

D-PS_X/A-PS_X共混膜中相分離行為的示意圖和各聚合物溶解度參數的假設順序。

【小結】

在本文研究中，研究者使用活性陰離子聚合和縮合的組合制備了一系列具有不同數量的PS側鏈的給體和受體聚合物。標準表征顯示PS側鏈對給體和受體聚合物的光吸收和能級特征的影響可以忽略不計。從全聚合物太陽能電池性能可以看出，在給體聚合物上引入PS側鏈能導致J_SC值和PEC的降低，而在受體聚合物上引入PS側鏈可以增強電池性能。

文獻鏈接：Understanding the Impact of Oligomeric Polystyrene Side Chain Arrangement on the All-Polymer Solar Cell Performance (Adv. Energy Mater, 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701552)

本文由材料人新能源學術組 Jon 供稿，材料牛編輯整理。

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