聚噻吩及其衍生物是一類典型的低成本且可宏量合成的有機(jī)半導(dǎo)體材料，是適用于未來(lái)有機(jī)光伏商業(yè)化的候選材料之一。在已報(bào)道的聚噻吩類給體材料中，以酯基噻吩為構(gòu)筑單元的聚噻吩衍生物是目前光伏性能最高的給體材料，器件效率可以達(dá)到~12%，但仍與目前高效體系之間存在較大差距?；钚詫有蚊彩怯绊懝夥阅艿年P(guān)鍵因素。深入理解這類低成本有機(jī)光伏共混體系的相分離結(jié)構(gòu)及其影響因素，建立系統(tǒng)全面的分子結(jié)構(gòu)-薄膜相態(tài)-光伏性能之間的關(guān)系對(duì)共混體系進(jìn)一步的優(yōu)化和發(fā)展以及OPV產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)具有重要意義。
最近，天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的耿延候教授和葉龍教授研究團(tuán)隊(duì)以酯基取代聚噻吩給體材料PDCBT-Cl（Macromolecules, 2019, 52, 4464-4474）為研究對(duì)象，選用了5種具有不同末端基團(tuán)或中間單元的代表性非富勒烯受體材料（ITIC-Th1、ITIC、IT4F、IDIC和Y6），從共混熱力學(xué)及成膜動(dòng)力學(xué)角度對(duì)不同體系相態(tài)的差異進(jìn)行了深入研究，通過(guò)系統(tǒng)分析這類結(jié)晶性共混體系中非晶-非晶相互作用參數(shù)χaa、結(jié)晶-非晶相互作用參數(shù)χca以及活性層形貌淬滅程度，建立了共混體系分子結(jié)構(gòu)-薄膜相態(tài)-器件性能之間的關(guān)系。
研究發(fā)現(xiàn)，不同于基于苯并二噻吩單元的給體聚合物與Y6與共混體系在光伏效率上取得的巨大成功，PDCBT-Cl與Y6匹配僅獲得~0.5%的能量轉(zhuǎn)換效率，其本質(zhì)原因在于PDCBT-Cl與Y6高度相容，共混體系處于單相態(tài)，難以發(fā)生相分離。
而PDCBT-Cl:ITIC-Th1共混體系中給受體材料具有合適的相容性，通過(guò)對(duì)共混薄膜進(jìn)行精確的后處理可以使混合相組成鎖定在利于電子傳輸?shù)臐B透閾值附近，且活性層薄膜中可以形成更有序的分子堆積，有利于載流子傳輸，從而獲得了超過(guò)12%的器件效率?；趯?duì)5種共混體系的系統(tǒng)研究，他們?yōu)檫M(jìn)一步提高聚噻吩-非富勒烯共混體系的光伏性能從分子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及和器件結(jié)構(gòu)兩方面提出了優(yōu)化策略。
該工作對(duì)低成本聚噻吩體系的分子設(shè)計(jì)及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控具有重要的指導(dǎo)意義。給受體材料的相容性及分子有序性對(duì)聚噻吩:非富勒烯體系薄膜形貌及器件性能有重要影響。非富勒烯受體材料需要與聚噻吩給體材料在熱力學(xué)上匹配，高度相容的體系難以獲得高的器件性能。該研究表明采用物理參數(shù)如非晶-非晶相互作用參數(shù)χaa、結(jié)晶-非晶相互作用參數(shù)χca等可以為聚噻吩體系分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、薄膜形貌調(diào)控及給受體材料匹配提供指導(dǎo)，進(jìn)一步推動(dòng)有機(jī)太陽(yáng)能電池商業(yè)化進(jìn)程。
相關(guān)結(jié)果以“Optimization Requirements of Efficient Polythiophene: Nonfullerene Organic Solar Cells”為題發(fā)表在能源材料權(quán)威期刊《Joule》上，論文的第一作者為天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的博士生梁紫琦，通訊作者為葉龍教授和李淼淼博士。論文的共同作者包括天津大學(xué)耿延候教授、鄧云峰副教授和北卡州立大學(xué)的Harald Ade教授。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金的支持以及上海同步輻射光源的機(jī)時(shí)支持。
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