近年来，得益于聚合小分子受体的发展，全聚合物太阳能电池的能量转换效率已突破19%，显示出巨大的商业化应用前景。由于聚合物给受体长共轭链间的缠结以及显著降低的熵，在很大程度上抑制了聚合物给受体的共混性，导致活性层形貌调控陷入困境。常用的后处理方法，如：添加剂、热退火、溶剂退火等，对全聚合物太阳能电池的活性层形貌调控作用有限。因此，从分子结构设计出发，通过减少聚合物链间缠结并提高聚合物给受体的共混性来调控活性层形貌至关重要。 近日，成都理工大学彭强教授、邓敏研究员通过将含有不同端基的Y系小分子受体与大位阻基团BDD单元共聚，构建了三个聚合物受体：PBTPICm-BDD、PBTPICγ-BDD和PBTPICF-BDD。
图1. (a) 聚合物受体的分子结构式；(b) 聚合物受体的合成路线；(c) 聚合物受体在氯仿溶液的紫外吸收图；(d) 相关材料在薄膜状态的紫外吸收图；(e) 相关材料的能级示意图. 通过密度泛函理论计算可知，PBTPICγ-BDD的端基与BDD单元的二面角分别为21.05o和22.18o，而PBTPICF-BDD表现出较小的二面角，分别为17.65o和17.75o，主要是端基中的氟原子与BDD单元的氢原子之间的非共价F‧‧‧H相互作用抑制了分子构型的扭曲。明星聚合物受体PY-IT的端基与π桥噻吩的二面角分别为18.51o和17.75o，小于PBTPICγ-BDD的二面角，但与PBTPICF-BDD的二面角几乎相同，表明大位阻BDD单元相对于小尺寸的噻吩基团确实产生了一定程度的扭转，同时也会通过非共价F‧‧‧H相互作用减弱。通过接触角测试，PBQx-TCl/PBTPICm-BDD、PBQx-TCl/PBTPICγ-BDD和PBQx-TCl/PBTPPICF-BDD的Flory-Huggins相互作用参数值分别为0.15、0.07和0.08，表明聚合物给受体具有较好的混溶性。可归因于大体积的BDD单元导致分子的内部空间更大，可以有效地减少链间缠结，提高聚合物给受体的混溶性，抑制过度的相分离。进一步通过AFM测试也得到验证。其中，PBTPICγ-BDD与PBQx-TCl制备的全聚合物太阳能电池获得17.50%的效率，加入20%的第三组分PYF-T-o进一步调控活性层形貌，实现18.64%的高能量转换效率。 图2. (a) 密度泛函理论计算的分子构型；(b) 相关材料的表面能测试. 图3. (a)二元器件的J-V曲线和(b) EQE曲线；(c)三元器件的J-V曲线和(d) EQE曲线. 图4. 共混膜的AFM图和PiFM图. 论文信息 Improving Miscibility of Polymer Donor and Polymer Acceptor by Reducing Chain Entanglement for Realizing 18.64 % Efficiency All Polymer Solar Cells Dr. Min Deng, Dr. Xiaopeng Xu, Dr. Wuke Qiu, Dr. Yuwei Duan, Dr. Ruipeng Li, Dr. Liyang Yu, Prof. Qiang Peng Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202405243
