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半導(dǎo)體材料，是適用于未來有機光伏商業(yè)化的候選材料之一。在已報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，器件效率可以達到~12%，但仍與目前高效體系之間存在較大差距。活性層形貌是影響光伏性能的關(guān)鍵因素。深入理解這類低成本有機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)系對共混體系進一步的優(yōu)化和發(fā)展以及OPV產(chǎn)業(yè)化進程的推進具有重要意義。
最近，天津大學材料科學與工程學院的耿延候教授和葉龍教授研究團隊以酯基取代聚噻吩給體材料PDCBT-Cl（Macromolecules, 2019, 52, 4464-4474）為研究對象，選用了5種具有不同末端基團或中間單元的代表性非富勒烯受體材料（ITIC-Th1、ITIC、IT4F、IDIC和Y6），從共混熱力學及成膜動力學角度對不同體系相態(tài)的差異進行了深入研究，通過系統(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，通過對共混薄膜進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12%的器件效率?；趯?種共混體系的系統(tǒng)研究，他們?yōu)檫M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。
該工作對低成本聚噻吩體系的分子設(shè)計及聚集態(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、薄膜形貌調(diào)控及給受體材料匹配提供指導(dǎo)，進一步推動有機太陽能電池商業(yè)化進程。
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材料科學與工程學院的博士生梁紫琦，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耿延候教授、鄧云峰副教授和北卡州立大學的Harald Ade教授。該項研究得到國家自然科學基金項目和發(fā)光材料與器件國家重點實驗室開放基金的支持以及上海同步輻射光源的機時支持。
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