李韦伟Joule: 热驱动双缆共轭聚合物相分离实现高效单组分有机太阳能电池

【引言】

常见的高效有机太阳能电池(OSCs)需要给体和受体两种组分。此外，还有一种单组分有机太阳能电池(SCOSCs)只包含一种双缆共轭聚合物作为光活性材料，这种SCOSCs可以有效地提升器件的稳定性并且简化常规的双组分OSCs的制备过程。然而，目前SCOSCs的性能仍然远远低于常规OSCs。一个关键问题是，双缆聚合物的给体主链和受体侧基通过共价键连接，互相牵制，容易形成无序的形态，造成严重的电荷重组与低的光电转换效率。因此，如何实现给体主链和受体侧基的相分离对于提升SCOSCs的效率具有重要意义。

【成果简介】

近日，中科院化学所/北京化工大学李韦伟教授和李诚（通讯作者）在Joule上发表了一篇名为“Thermal-Driven Phase Separation of Double-Cable Polymers Enables Efficient Single-Component Organic Solar Cells”的文章。该研究开发了一种新型的以PBDB-T-Cl为给体骨架和PBI侧链为受体的双缆共轭聚合物(PBDBPBI-Cl)，并且发现了高温下聚合物薄膜中，给体与受体重新自组装为规整结构，从而获得了效率高达6.3%的SCOSCs，并且展现了优异的稳定性。这也是目前单组分有机太阳能电池的最高效率。

【图文导读】

图1 本研究中的双缆共轭聚合物材料的化学结构和物理性能分析

(A) 双缆共轭聚合物PBDBPBI-Cl的化学结构；

(B) 主链PBDB-T-Cl的化学结构式；

(D) PBDBPBI-Cl，PBDB-T-Cl和PBI三种薄膜的吸收光谱；

(E) PBDBPBI-Cl和PBDB-T-Cl的差示扫描量热法分析(DSC)；

(F) PBI的DSC曲线。

图2 不同温度处理后PBDBPBI-Cl薄膜的AFM图分析

图3 通过GIWAXS分析PBDBPBI-Cl薄膜相分离

(A-F) PBDBPBI-Cl薄膜在不同退火温度下的GIWAXS图谱；

(G) 不同退火温度对应的聚合物分子链的长度；

(H) 与温度相关的衍射峰极化图。

图4 与温度相关的GIMAXS图谱和模型

(A-F) PBDBPBI-Cl薄膜在不同退火温度下的GIMAXS图谱；

(G) 对应的GIMAXS散射曲线；

(H) 退火前后的分子形貌演化。

图5 载流子迁移率和电荷生成

(A) 场效应迁移率与退火温度的关系曲线；

(B) PBDB-T-Cl，PBI,PBDBPI-Cl(25℃)和PBDBPBI-Cl(230℃退火)的PIA谱。

图6 SCOSCs的光伏性能和稳定性

(A) 不同退火温度下，SCOSCs的J-V曲线；

(B) 不同退火温度下，SCOSCs的EQE曲线；

(D) 稳定性测试。

图7 IQE和电荷转移状态

(A) PBDBPBI-Cl and PBDB-T-Cl:PBI在不同波长下的折射系数和消光值(nk值)；

(B) 光活性层的吸收光子比例；

(D) PBDBPBI-Cl and PBDB-T-Cl:PBI太阳能电池的FTPS-EQE曲线。

【小结】

研究者开发了一种新型的双缆共轭聚合物材料，通过温度使其相分离，成功将SCOSCs的光电转换效率提升至6.3%。该策略为开发新型的双缆共轭聚合物及其纳米相分离技术提供了新的思路。

文献链接：Thermal-Driven Phase Separation of Double-Cable Polymers Enables Efficient Single-Component Organic Solar Cells, Joule, 2019, DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.008.

李韦伟教授团队近年来致力于新型共轭聚合物材料及其在有机光电领域的研究，包括吡咯并吡咯二酮类共轭聚合物给体材料、苝酰亚胺类受体材料以及双缆共轭聚合物类单组分材料，深入探索了材料的化学结构、凝聚态结构以及光电性能的关系。在双缆共轭聚合物及其单组分有机太阳能电池研究方面，针对该领域中材料有限、凝聚态结构调控困难以及光电转换效率低等问题，发展了双缆共轭聚合物的合成方法，获得了大量吸收、能级、结晶性以及迁移率可调的双缆共轭聚合物，从分子结构（共轭主链、侧链以及连接单元）以及后处理（溶剂退火以及热退火）等方面调控聚合物的凝聚态结构，从而实现了高稳定性与高性能的单组分有机太阳能电池。在双缆共轭聚合物以及单组分有机太阳能电池方面的工作和综述文章可见：

1. Diketopyrrolopyrrole-Based Conjugated Polymers with Perylene Bisimide Side Chains for Single-Component Organic Solar Cells. Chem. Mater. 2017, 29, 7073.

2. “Double-Cable” Conjugated Polymers with Linear Backbone toward High Quantum Efficiencies in Single-Component Polymer Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 18647.

3. Multifunctional Diketopyrrolopyrrole-Based Conjugated Polymers with Perylene Bisimide Side Chains. Macromol. Rapid Commun. 2018, 39, 1700611.

4. An Isoindigo-Based “Double-Cable” Conjugated Polymer for Single- Component Polymer Solar Cells. Chin. J. Chem . 2018, 36, 515.

5. A new strategy for designing polymer electron acceptors: electronrich conjugated backbone with electron-deficient side units. Sci. China Chem. 2018, 61, 824.

6. Improving Electron Transport in a Double-Cable Conjugated Polymer via Parallel Perylenetriimide Design. Macromolecules 2019, 52, 3689.

7. Thermal-Driven Phase Separation of Double-Cable Polymers Enables Efficient Single-Component Organic Solar Cells, Joule, 2019, DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.008.

8. Correlating crystallinity to photovoltaic performance in single-component organic solar cells via conjugated backbone engineering. Dyes and Pigments 2019, 170, 107575.

9. Conjugated molecular dyads with diketopyrrolopyrrole-based conjugated backbones for single-component organic solar cells. Mater. Chem. Front. 2019, DOI: 10.1039/C9QM00238C.

10. Crystalline Conjugated Polymers for Organic Solar Cells: From Donor, Acceptor to Single-Component. Chem. Rec. 2019, 19, 962-972.

11. 给体/受体双缆型共轭聚合物材料及其单组分有机太阳能电池器件. 高分子学报，2019，3, 209.

本文由金也供稿。