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近日，西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院秦紅梅和李宇翔副教授課題組圍繞有機(jī)全聚合物太陽能電池材料的系列創(chuàng)新研究受到關(guān)注，該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金、西安科技大學(xué)優(yōu)秀青年科技基金、西安科技大學(xué)高層次人才引進(jìn)項(xiàng)目的資助。日前，該研究成果被材料領(lǐng)域的頂級(jí)期刊《Chemical Engineering Journal》，（IF=13.273）以“Fine-tuned Crystallinity of Polymerized Non-fullerene Acceptor via Molecular Engineering Towards Efficient All-Polymer Solar Cell”為題專題報(bào)道。

有機(jī)聚合物太陽能受體材料的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)混合薄膜結(jié)晶度特性

挑戰(zhàn)難題

研究新型聚合物受體材料

盡管近年來全聚合物太陽能電池（All-Polymer）憑借“聚合非富勒烯受體”策略取得了顯著進(jìn)步，但是通過分子設(shè)計(jì)以優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)共混物形態(tài)來調(diào)節(jié)聚合物結(jié)晶度對于提高短路電流密度（JSC）仍然具有挑戰(zhàn)性。針對這些問題已經(jīng)開發(fā)并成功實(shí)施了一些策略，如分子量控制、無規(guī)聚合和側(cè)鏈工程，以實(shí)現(xiàn)合適的結(jié)晶度和混溶性。先前報(bào)道中，該課題組開發(fā)了一系列基于IDIC的聚合物受體，在這些受體中，不同種類的鹵素被引入到聚合物受體中，導(dǎo)致聚合物受體的電子遷移率和薄膜形態(tài)有顯著的改善，雖然聚合物受體自組裝行為的控制會(huì)影響其共混形態(tài)和光伏性能，但很少有研究通過開發(fā)一種簡單的方法來調(diào)節(jié)這些聚合物受體的結(jié)晶度和相分離程度。

基于以上問題，在該項(xiàng)研究中，通過將Y5-衍生物與二噻吩或氯化二噻吩共聚，設(shè)計(jì)并合成了兩種新型的聚合物受體材料PY-2T和PY-2T2Cl，并將其與該課題組之前的研究工作PIDIC-2T進(jìn)行系統(tǒng)的對比，研究發(fā)現(xiàn)相比于IDIC系列聚合物，擴(kuò)展的中心核PY-2T和PY-2T2Cl由于擁有更強(qiáng)的分子間電荷傳輸能力而導(dǎo)致相對較寬的紅移吸收和上移的能級(jí)，同時(shí)提高了all-PSCs的JSC和開路電壓（VOC）。通過二維掠入射X-射線散射技術(shù)表征發(fā)現(xiàn)，中心核的調(diào)節(jié)顯著增強(qiáng)了π-π堆積的晶體相干長度，此外氯化π橋的引入進(jìn)一步優(yōu)化了聚合物的結(jié)晶特性以及形貌問題。與給體PBDB-T混合后PY系列共混膜呈現(xiàn)共存的微晶形貌，且堆積更佳有序，其中PY-2T2Cl具有更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和良好的相分離形貌，有利于激子解離和電荷傳輸。

相關(guān)材料的形貌表征

帶來研究新思路

最終PY-2T2Cl與其相匹配的聚合物給體材料PBDB-T制備了all-PSCs，其良好的膜結(jié)晶度及合適的相分離共混物形態(tài)使基于PBDB-T: PY-2T2Cl的all-PSCs取得了16.3 mA/cm2 的JSC，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.35%。這一研究成果通過改變中心核和π間隔層調(diào)控薄膜結(jié)晶度，為進(jìn)一步開發(fā)高性能聚合物受體提供了新思路，并強(qiáng)調(diào)了在所有聚合物太陽能電池中，窄帶隙吸收和最佳活性層形貌對于提高短路電流密度具有同等重要性?；谟袡C(jī)高分子材料作為光敏活性層的有機(jī)太陽能電池，具有材料結(jié)構(gòu)多樣性、可大面積低成本印刷制備、柔性、半透明甚至全透明等優(yōu)點(diǎn)，將成為新材料學(xué)科可預(yù)見的發(fā)展方向。

本項(xiàng)工作由我校秦紅梅和李宇翔副教授帶領(lǐng)的有機(jī)光電材料研究團(tuán)隊(duì)完成，其中實(shí)驗(yàn)部分主要由我校材料科學(xué)與工程學(xué)院2018級(jí)碩士研究生王梅（第二作者）完成，論文的通訊作者為我校李宇翔副教授（第一作者）、秦紅梅副教授和蘇州大學(xué)袁建宇副教授。

相關(guān)器件的光伏性能測試

鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721028138?via=ihub

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來源：材料學(xué)院

制版：王子豪

責(zé)編：李波

審核：曹雪梅

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