Macromolecules | 揭示高分子添加剂对柔性有机光伏的影响- X-MOL资讯

当前位置： X-MOL首页 › 行业资讯 › Macromolecules | 揭示高分子添加剂对柔性有机光伏的影响

Macromolecules | 揭示高分子添加剂对柔性有机光伏的影响

材料

作者：X-MOL 2022-01-20

英文原题：Miscibility-Controlled Mechanical and Photovoltaic Properties in Double-Cable Conjugated Polymer/Insulating Polymer Composite

通讯作者：肖承义，李韦伟，北京化工大学

作者：谢程程，肖承义*，蒋旭东，粱世洁，刘春慧，张洲，陈巧梅，李韦伟*

背景介绍

有机太阳能电池（OSCs）技术可将太阳能直接转化为可再生能源（如电能或氢能），有效地缓解能源短缺和全球气候变化。OSCs的光敏层是具有π电子离域主链的共轭聚合物，是一种高分子半导体材料。共轭聚合物赋予了OSCs可拉伸性、质轻、丰富且易调节的光电性能、以及低成本的印刷加工特性。这些特性使OSCs在建筑光伏、物联网、智能穿戴及便携电子产品方面具有潜在的应用前景。其中，柔性、可拉伸是OSCs最重要的特性之一。然而，共轭高分子的电荷传输与可拉伸性能之间是相互对立的，如何在保持高光电转换效率下提升共轭高分子光敏层的机械性能是一项巨大的挑战。

文章亮点

添加绝缘高分子来提升光敏层的力学性能是一种简便而通用的策略，其作用机理却非常复杂。针对该问题，北京化工大学李韦伟教授团队详细地研究了不同高分子添加剂对光敏层的力学性能及光电性能的影响，分别为：聚苯乙烯（PS）、聚苯乙烯-丁烯-苯乙烯（SBS）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）（图1）。为了简化研究体系的复杂度，光敏层采用了双缆共轭聚合物JP02，因为该材料可用于制备单组分有机太阳能电池。

图1. 有机光伏电池的器件结构示意图以及采用的聚合物材料的分子式。

通过薄膜的接触角测量（图2），发现三种高分子添加剂与JP02的相容性顺序是PDMS< SBS<JPS。较差的相容性将导致较大的自聚集和严重的相分离，阻碍载流子传输；同时使共混薄膜产生许多空腔，这些空腔在拉伸过程中会发展为微裂纹，降低薄膜的力学性能。较好的相容性则有助于互穿网络的形成，最大限度地减少添加剂对电荷传输和形变能力的影响。

图2. 不同共混薄膜的接触角测试结果及添加剂在薄膜中的分布示意图。

随后进行了光伏性能和力学性能的测试，以验证相容性对共轭聚合物光敏层的影响。结果表明，随着添加剂含量的增加，共混薄膜的载流子迁移率不断降低，光伏器件的短路电流依次下降，从而导致薄膜光伏性能的降低。当添加剂含量为15 wt%时，不同体系的光电转换效率依次为：JP02-PDMS<JP02-SBS<JP02-PS，这与相容性的变化趋势相一致。其中，添加15 wt%的PS时，其光电转换效率仅仅从7.34%降低至6.71%。由于JP02的共轭单元平面性强，共轭主链具有极强的刚性，且薄膜的结晶性较强，降低了高分子链的自由度，从而使薄膜表现出高模量和低拉伸率（Small Methods 2021, 5, 2100481）。而加入高分子添加剂后，其模量随添加剂的含量增加而依次减小，同时断裂伸长率依次增大。当添加剂含量为15 wt%时，不同体系的断裂伸长率依次为：JP02-SBS<JP02-PDMS<JP02-PS，这归因于相容性和“纳米限域效应”的共同作用。由于PS与JP02较好的相容性，薄膜的杨氏模量降低了一半，由1.27 GPa下降至0.62 GPa；相应的断裂伸长率增大了一倍，由2.48%提高到4.69%；薄膜的韧性由38.81 J/m³变大为73.92 J/m³。此外，倒置结构的柔性有机太阳能电池中，基于JP02-PS共混薄膜的光电转换效率达到了5.96%。令人惊讶的是，在1 mm的弯曲半径下进行2000次的循环后，其光电转换效率仍然保持在初始值的95%以上。

图3. 不同高分子添加剂对光敏层的光伏性能和力学性能的影响。

总结/展望

该工作对不同共轭高分子/绝缘高分子共混体系的光伏性能和机械性能进行了全面的研究和评估。光敏层材料采用了双缆高分子JP02，以消除第三组分的影响。研究证明，随着相容性的增加，绝缘高分子的聚集体会变小并与在轭高分子薄膜中产生互穿网络，从而最大限度地减少它们对电荷传输和形变能力的影响。其中，相容性最好的JP02-PS共混薄膜的断裂伸长率从2.48%提高到4.69%，相应的光电转换效率仅从7.51%略微下降到6.71%。该工作证明，在基于共轭高分子的光敏层材料中加入相容性良好的高分子添加剂，能极大地提升薄膜的柔韧性，同时保证薄膜的载流子传输。

相关论文发表在Macromolecules上，北京化工大学博士研究生谢程程为文章的第一作者，肖承义博士和李韦伟教授为共同通讯作者。

通讯作者介绍：

肖承义博士

肖承义博士，硕士生导师。2011年7月于湘潭大学获得学士学位，2016年7月于中国科学院化学研究所获得博士学位。毕业后加入北京化工大学工作，2019年加入李韦伟教授团队。研究方向为柔性有机太阳能电池的设计与制备。

李韦伟教授

李韦伟，教授，博士生导师，2015年入选海外高层次人才引进计划，2021年获得北京市杰出青年基金资助。2010年于中国科学院化学研究所获博士学位，2010-2014年分别在加拿大阿尔伯达大学和荷兰埃因霍温理工大学从事博士后研究。2015年入职中国科学院化学研究所。2019年起，于北京化工大学材料科学与工程学院任教授。研究方向为柔性有机太阳能电池材料与器件。

* 课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/weiweili

扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文