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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(guó)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(duì)于提高短路電流密度（JSC）仍然具有挑戰(zhàn)性。針對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(cè)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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