天津大学叶龙JMCA：双给体聚合物三元有机太阳能电池机械和光伏性能的协同优化

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前言回顾

利用有机和聚合物材料进行太阳能转换的有机太阳能电池（OSCs）是目前最有前景的清洁能源技术之一。到目前为止，已经开发了许多策略来提高OSCs的光伏性能。由于三元OSCs制备步骤简单和生产成本低，该混合策略得到了越来越多的关注。然而，目前三元OSCs中最常用和性能最好的活性层通常将给体聚合物与两个小分子受体相结合，而基于双聚合物给体和小分子受体的OSCs进展却远远落后。迄今为止，只有少数双聚合物给体型三元OSCs比相应的二元OSCs具有更好的性能。这些困难主要来源于聚合物相互缠结而导致的复杂相形态难以控制，难以形成利于电荷分离与传输的混合相。此外，领域内面临的一大挑战是缺乏合适的给体聚合物而难以优选出在能级、吸收光谱、空穴迁移率和相形态等方面完美匹配的两种聚合物给体，这些挑战严重制约了双聚合物给体型三元共混体系的发展。与此同时，在对双给体聚合物三元共混体系的研究过程中，第二聚合物给体对于共混体系力学性能影响的系统研究相对缺乏，特别是此类三元共混体系膜微观结构与力学性能之间的内在关系的理解。

图1.相关给受体结构以及相关性质

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文献简介

基于上述原因，近日，天津大学的叶龙教授与中国科学院高能物理研究所的陈雨副研究员合作开发一种具有双给体聚合物的三元OSCs，其中引入了一种低成本2D半次晶性共轭聚合物聚PTQ10用以优化二元体系PM6:N3的机械和光伏性能。通过逐渐调节两个给体的相对重量比，以及一系列薄膜力学表征，研究人员绘制了这些三元共混活性层的两个关键力学参数（弹性模量和裂纹起始应变）的组成依赖性。研究人员发现，添加适当含量（20 wt%）的第三组分PTQ10可以诱导更有序的分子排列和更高的π-π堆叠强度，从而实现光伏效率和裂纹起始应变的有效改善。然而，随着PTQ10含量的增加，弹性模量会进一步下降。

图2.器件结构与光伏性能

基于北京同步辐射装置1W1A漫散射实验站的GIWAXS表征以及显微镜分析，这些增强的性能主要归因于有序的分子堆积和适度的畴间距，从而进一步揭示了微观结构、薄膜延展性和器件性能之间的关系。更重要的的是，从高分子物理原理出发，作者通过等效盒模型进行了三元共混体系弹性模量的组成依赖性的预测。也就是说，通过简单地输入纯膜的模量数据，可以预测三元共混体系的弹性模量。同时，由于N3属于最著名的Y系列非富勒烯受体，因此所开发的力学预测和力学形态关系可能会扩展到基于其它双给体聚合物和Y系列受体的大量体系、以及三元全聚合共混物等。

图3.第二种给体聚合物对共混物影响示意图

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文献总结

综上，该工作为目前研究较少的双给体三元体系的研究提供了很好的参考，也为未来三元OSCs的研究提供一些新的启示。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Journal of Materials Chemistry A》上，题为“Synergistic Optimization of Mechanical and Photovoltaic Properties in Ternary Organic Solar Cells from a Two‐donor Polymer Blend”。

本文关键词：有机太阳能电池，三元器件，给体聚合物，力学性能，模量预测。

转自：“有机光电前沿”微信公众号

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