可应用于有机场效应晶体管和有机太阳能电池的非对称共轭聚合物

共轭聚合物应用于有机场效应晶体管和有机太阳能电池已经有二十多年的历史,从材料与器件方面取得了巨大的进步,展现出工业化应用的潜力。共轭聚合物在有机光电器件的大面积化工业应用中采用溶液旋涂的方式,而溶剂的选择尤为重要。含卤素溶剂,例如氯仿、氯苯和邻二氯苯,对共轭聚合物具有优异的溶解性,但是危害环境,被法律限制使用。所以,开发新型共轭聚合物,溶解于环境友好的溶剂中进行器件制备,具有重要的意义。

AMliweiwei吡咯并吡咯二酮类共轭聚合物具有高结晶性、高迁移率以及宽吸收的优点,已经被成功的应用到高效的场效应晶体管和有机太阳能电池中。同时,这类聚合物的合成方法相对简单,所以工业化应用潜力巨大。但是,研究发现,因为存在大的共轭刚性单元,这类聚合物往往只溶解于含卤素溶剂中。最近,中国科学院化学研究所李韦伟研究员、国家纳米科学中心魏志祥研究员和荷兰埃因霍温理工大学René Janssen教授及其研究团队合作,开发了一类非对称的吡咯并吡咯二酮类共轭聚合物,研究了这类聚合物在非卤溶剂中的结晶性以及在有机场效应晶体管和有机太阳能电池中的应用。

在该项研究中,研究人员以吡咯并吡咯二酮为受体单元,引入非对称的桥连基团,得到了两种共轭聚合物。研究表明,非对称的结构使得聚合物在甲苯中具有优异的溶解性。聚合物薄膜通过掠入射广角X射线散射(GIWAXS)进行表征,发现非对称结构的共轭聚合物依然拥有优异的结晶性能,可以观察到多重衍射峰(100) – (400)。将这类聚合物应用于底电极 – 底接触的有机场效应晶体管中,空穴迁移率高达12.5 cm2 V-1 s-1。这类共轭聚合物作为电子给体与富勒烯衍生物作为电子受体,应用到有机太阳能电池中,采用甲苯为旋涂溶剂,二苯醚为添加剂,实现15.8 mA cm-2的短路电流密度和6.5%的能量转换效率,光谱响应达到900 nm。采用透射电镜(TEM)进行形貌研究,发现这类聚合物在共混体系中形成10 nm左右的纤维网状结构,进一步证明了这类聚合物优异的结晶性。此项研究表明,非对称的设计方法是一种提高聚合物溶解性同时保持聚合物优异结晶性的有效策略,为设计高性能的共轭聚合物提供新的研究思路。相关文章发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201504272)上。

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