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【引言】

近年來(lái)，共軛聚合物給體材料和受體材料的顯著發(fā)展促使著研究人員在不斷地開(kāi)發(fā)更高性能的全聚合物太陽(yáng)能電池器件。聚合物太陽(yáng)能電池為有機(jī)太陽(yáng)能電池中的一種，其光敏層主要由共軛聚合物和富勒烯及衍生物組成，而全聚合物太陽(yáng)能電池則是將聚合物太陽(yáng)能電池中的富勒烯材料換成聚合物材料，也就是說(shuō)在光敏層中全部使用的是聚合物材料，這也使得全聚合物太陽(yáng)能電池具有制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，太陽(yáng)能光譜覆蓋良好，化學(xué)性質(zhì)和形態(tài)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。許多全聚合物太陽(yáng)能電池都具有較低的短路電流(J_SC)和填充因子(FF)，這是由聚合物的低載流子遷移率所引起的。因此，研究人員一直尋求在有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件測(cè)量下具有高電荷載流子遷移率的給體-受體(D-A)型共軛聚合物。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，來(lái)自斯坦福大學(xué)的鮑哲南教授(通訊作者)團(tuán)隊(duì)在Advanced Eenergy Materials上發(fā)表了一篇題為“Understanding the Impact of Oligomeric Polystyrene Side Chain Arrangement on the All-Polymer Solar Cell Performance”的文章，文中報(bào)道了該研究團(tuán)隊(duì)有關(guān)光敏層中聚合物的分子形態(tài)對(duì)全聚合物太陽(yáng)能電池性能影響的研究成果。在該文中，低聚聚苯乙烯(PS)側(cè)鏈引入共軛主鏈被證明可以增強(qiáng)半導(dǎo)體聚合物的加工性和電子性能。研究者制備兩種具有不同摩爾百分比的PS側(cè)鏈的給體和受體聚合物，以研究闡明它們的取代分布排列對(duì)于全聚合物太陽(yáng)能電池性能的影響。當(dāng)PS側(cè)鏈在給體聚合物上被取代時(shí)，觀察到的電池器件性能較低，當(dāng)PS側(cè)鏈在受體聚合物上被取代時(shí)，觀察到的電池器件性能較高。研究表明，將PS側(cè)鏈引入受體聚合物有助于共混聚合物膜中相分離疇尺寸的降低，然而減小的疇尺寸仍然比典型的激子擴(kuò)散長(zhǎng)度大一個(gè)數(shù)量級(jí)。詳細(xì)的分子形態(tài)學(xué)研究以及原始PS、給體和受體聚合物的溶解度參數(shù)的估計(jì)顯示，每個(gè)組分的溶解度的相對(duì)值主要對(duì)相分離結(jié)構(gòu)域的純度有正向作用，這強(qiáng)烈影響了光電流的的數(shù)量和太陽(yáng)能電池的整體性能。

?【圖文導(dǎo)讀】

圖1.D-PS_X和A-PS_X的合成路線

合成D-PS_X時(shí)，Pd(PPh₃)₄為催化劑；合成A-PS_X時(shí)，Pd₂(dba)₃CHCl₃為催化劑。

圖2.電池性能表征

(a)D-PS_X/A-PS_X全聚合物太陽(yáng)能電池效率

(b)D-PS_X/A-PS_X全聚合物太陽(yáng)能電池短路電流密度J_SC

(c)D-PS_X/A-PS_X全聚合物太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓V_OC

(d)D-PS_X/A-PS_X全聚合物太陽(yáng)能電池填充因子FF

圖3.共混膜的RSoXS數(shù)據(jù)

(a-c)PS側(cè)鏈在受體聚合物中的數(shù)量分別為0%、5%和10%；

(d-f)在給體聚合物中具有固定量的PS側(cè)鏈的散射曲線。

所有RSoXS數(shù)據(jù)是在287 eV下測(cè)試獲得的，其中不同聚合物之間的散射對(duì)比度與不同量的PS側(cè)鏈附著相似。

圖4.共混膜的熒光猝滅行為

(a-c)PS側(cè)鏈在受體聚合物中的數(shù)量分別為0%、5%和10%；

(d-f)不同PS側(cè)鏈數(shù)量的給體聚合物的PL猝滅行為。

補(bǔ)充內(nèi)容

圖4共混膜熒光猝滅行為的表征是使用的HORIBA Fluorolog系列熒光光譜儀，具有超高靈敏度，特別適用于熒光強(qiáng)度逐漸降低的猝滅實(shí)驗(yàn)。利用熒光猝滅方法，可以有效確認(rèn)相態(tài)分離結(jié)構(gòu)與復(fù)合行為的關(guān)系。其中，通過(guò)測(cè)試共混膜的熒光猝滅譜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PS側(cè)鏈在給體聚合物上被取代時(shí)，發(fā)生更多復(fù)合；當(dāng)PS側(cè)鏈在受體聚合物上被取代時(shí)，發(fā)生更的激子解離。從而可以得到結(jié)論，共混膜中相分離結(jié)構(gòu)域的純度和粒徑影響了光電流的的數(shù)量和太陽(yáng)能電池的整體性能。

圖5.相互作用和溶解度參數(shù)確定

D-PS_X/A-PS_X共混膜中相分離行為的示意圖和各聚合物溶解度參數(shù)的假設(shè)順序。

【小結(jié)】

在本文研究中，研究者使用活性陰離子聚合和縮合的組合制備了一系列具有不同數(shù)量的PS側(cè)鏈的給體和受體聚合物。標(biāo)準(zhǔn)表征顯示PS側(cè)鏈對(duì)給體和受體聚合物的光吸收和能級(jí)特征的影響可以忽略不計(jì)。從全聚合物太陽(yáng)能電池性能可以看出，在給體聚合物上引入PS側(cè)鏈能導(dǎo)致J_SC值和PEC的降低，而在受體聚合物上引入PS側(cè)鏈可以增強(qiáng)電池性能。

文獻(xiàn)鏈接：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)

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