中科院化学所Adv. Energy Mater. : 烷基甲硅烷基侧链结构对共轭聚合物供体光伏性能的影响

【引言】

近年来，以p型共轭聚合物为供体，n型有机半导体为受体的聚合物太阳电池引起了研究人员的广泛关注。对于受体而言，非富勒烯结构的n型有机半导体成为研究热点。聚合物太阳电池的能量转化效率与开路电位、短路电流密度和填充因子息息相关。开路电位主要由受体材料的最低未占据分子轨道能级和供体材料的最高占据分子轨道能级决定。短路电流密度取决于光吸收光谱、激子分离效率、光吸收材料的电荷载流子移动率。填充因子与器件的电荷载流子移动率和串联电阻有关。在调节光伏材料的电子能级和聚集性能方面，聚合物侧链的调节至关重要。在光伏材料的侧链调节中，除了化学组成之外，侧链的尺寸和构型同样会对材料的结晶度、π堆积取向、电荷转移和光伏性能有关键的影响。侧链的调节对于n型有机半导体受体也是十分重要的。

【成果简介】

近日，中科院化学所的李永舫院士和张志国副研究员，美国北卡州立大学的Harald Ade教授（共同通讯作者）等人在Advanced Energy Materials上发表最新研究成果“Effect of Alkylsilyl Side-Chain Structure on Photovoltaic Properties of Conjugated Polymer Donors”。在该文中，研究者通过改变J71的烷基甲硅烷基侧链的烷基取代基合成了四种新的聚合物（J70、J72、J73和J74），研究了烷基甲硅烷基侧链结构对中等禁带宽度的聚合物供体的光伏性质的影响。研究发现：较短和线性的烷基甲硅烷基侧链能够提供有序的分子堆积、较强的光吸收系数和较高的电荷载流子的移动率，使器件的短路电流密度和填充因子较高。然而，较长或者分枝的烷基取代表现出较低的最高占据分子轨道能级，使器件有较高的开路电位。基于J70：m-ITIC和J71：m-ITIC的器件能够分别获得11.62和12.05%的效率，这是目前为止聚合物太阳电池的最高效率。

【图文导读】

示意图1 受体材料和供体材料的结构及合成

（a）J70-J74 和 m-ITIC的分子结构

（b）聚合物的合成途径

图1 聚合物的光吸收性质及其能级位置

（a）聚合物薄膜的吸收光谱

（b）聚合物和m-ITIC（质量比=1：1.5）的混合膜的吸收光谱

（c）电压扫速为20 mV s^-1、0.1mol L^-1 的n-Bu₄NPF₆乙腈溶液下，聚合物/玻碳电极的循环伏安曲线图

（d）聚合物供体和m-ITIC受体的能级示意图

图2 光致发光光谱图

（a-e）聚合物以及聚合物与m-ITIC混合膜的光致发光光谱

（f）m-ITIC以及与五种聚合物形成的混合膜的光致发光光谱图

图3 AFM和GIWAXS图

（a）五种聚合物膜的AFM高度图

（b）五种聚合物膜的GIWAXS图谱

（c）m-ITIC膜的GIWAXS图谱

（d）聚合物膜和m-ITIC膜的GIWAXS图谱的IP图

（e）聚合物膜和m-ITIC膜的GIWAXS图谱的OOD线切割图

图4 聚合物太阳电池性能表征

（a）AM1.5G 100 mW cm⁻²光照，150℃焙烧2分钟，聚合物供体和m-ITIC受体的质量比为1：1.5条件下，聚合物电池的J-V特征曲线

（b）相应的聚合物电池的光电转换效率图

（c）光照强度决定的短路电流密度图

（d）最佳器件的J_ph-V_eff图

【小结】

在这项工作中，研究者在J71的基础上，研究了烷基甲硅烷基侧链三种烷基取代基的长度和构型对聚合物供体的光伏性质的影响。研究表明：较短和线性的烷基取代有利于提高短路电流密度和填充因子，而较长或者分支的烷基取代则有利于获得较高的开路电压。最优化器件的能量转化效率可达到12.05%。这是目前为止聚合物太阳电池的最高效率。 该研究有利于进一步设计和合成高效的共轭聚合物供体材料，促进聚合物太阳能电池实际应用市场的发展。

文献链接：Effect of Alkylsilyl Side-Chain Structure on Photovoltaic Properties of Conjugated Polymer Donors（Adv. Energy Mater.，2017，DOI: 10.1002/aenm.201702324）

本文由材料人编辑部实习生马永超编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！