鲍哲南Adv. Energy Mater: 了解低聚聚苯乙烯侧链分布排列对全聚合物太阳能电池性能的影响

【引言】

近年来，共轭聚合物给体材料和受体材料的显著发展促使着研究人员在不断地开发更高性能的全聚合物太阳能电池器件。聚合物太阳能电池为有机太阳能电池中的一种，其光敏层主要由共轭聚合物和富勒烯及衍生物组成，而全聚合物太阳能电池则是将聚合物太阳能电池中的富勒烯材料换成聚合物材料，也就是说在光敏层中全部使用的是聚合物材料，这也使得全聚合物太阳能电池具有制造工艺简单，成本低，太阳能光谱覆盖良好，化学性质和形态稳定等诸多优点。许多全聚合物太阳能电池都具有较低的短路电流(J_SC)和填充因子(FF)，这是由聚合物的低载流子迁移率所引起的。因此，研究人员一直寻求在有机场效应晶体管器件测量下具有高电荷载流子迁移率的给体-受体(D-A)型共轭聚合物。

【成果简介】

近日，来自斯坦福大学的鲍哲南教授(通讯作者)团队在Advanced Eenergy Materials上发表了一篇题为“Understanding the Impact of Oligomeric Polystyrene Side Chain Arrangement on the All-Polymer Solar Cell Performance”的文章，文中报道了该研究团队有关光敏层中聚合物的分子形态对全聚合物太阳能电池性能影响的最新研究成果。在该文中，低聚聚苯乙烯(PS)侧链引入共轭主链被证明可以增强半导体聚合物的加工性和电子性能。研究者制备两种具有不同摩尔百分比的PS侧链的给体和受体聚合物，以研究阐明它们的取代分布排列对于全聚合物太阳能电池性能的影响。当PS侧链在给体聚合物上被取代时，观察到的电池器件性能较低，当PS侧链在受体聚合物上被取代时，观察到的电池器件性能较高。研究表明，将PS侧链引入受体聚合物有助于共混聚合物膜中相分离畴尺寸的降低，然而减小的畴尺寸仍然比典型的激子扩散长度大一个数量级。详细的分子形态学研究以及原始PS、给体和受体聚合物的溶解度参数的估计显示，每个组分的溶解度的相对值主要对相分离结构域的纯度有正向作用，这强烈影响了光电流的的数量和太阳能电池的整体性能。

【图文导读】

图1.D-PS_X和A-PS_X的合成路线

合成D-PS_X时，Pd(PPh₃)₄为催化剂；合成A-PS_X时，Pd₂(dba)₃CHCl₃为催化剂。

图2.电池性能表征

(a)D-PS_X/A-PS_X全聚合物太阳能电池效率

(b)D-PS_X/A-PS_X全聚合物太阳能电池短路电流密度J_SC

(c)D-PS_X/A-PS_X全聚合物太阳能电池开路电压V_OC

(d)D-PS_X/A-PS_X全聚合物太阳能电池填充因子FF

图3.共混膜的RSoXS数据

(a-c)PS侧链在受体聚合物中的数量分别为0%、5%和10%；

(d-f)在给体聚合物中具有固定量的PS侧链的散射曲线。

所有RSoXS数据是在287 eV下测试获得的，其中不同聚合物之间的散射对比度与不同量的PS侧链附着相似。

图4.共混膜的荧光猝灭行为

(a-c)PS侧链在受体聚合物中的数量分别为0%、5%和10%；

(d-f)不同PS侧链数量的给体聚合物的PL猝灭行为。

图5.相互作用和溶解度参数确定

D-PS_X/A-PS_X共混膜中相分离行为的示意图和各聚合物溶解度参数的假设顺序。

【小结】

在本文研究中，研究者使用活性阴离子聚合和缩合的组合制备了一系列具有不同数量的PS侧链的给体和受体聚合物。标准表征显示PS侧链对给体和受体聚合物的光吸收和能级特征的影响可以忽略不计。从全聚合物太阳能电池性能可以看出，在给体聚合物上引入PS侧链能导致J_SC值和PEC的降低，而在受体聚合物上引入PS侧链可以增强电池性能。

文献链接：Understanding the Impact of Oligomeric Polystyrene Side Chain Arrangement on the All-Polymer Solar Cell Performance (Adv. Energy Mater, 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701552)

本文由材料人新能源学术组 Jon 供稿，材料牛编辑整理。

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