高效聚合物太阳电池材料设计的新思路:局部化学环境与形貌的影响

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聚合物材料的性能与其化学结构和材料聚集态结构密切相关,如何通过控制材料化学结构来获得优化的微观形貌并由此取得更高的性能,给材料的设计带来挑战。特别是对基于给/受体纳米共混薄膜的聚合物电池研究领域,深入理解材料化学结构、聚集态结构与器件性能之间的联系,对于进一步发展高效的聚合物太阳电池材料至关重要。华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室黄飞教授课题组基于不对称的5-氟-2,1,3-苯并噻二唑(FBT)杂环单元,通过精确的化学合成设计实现了对目标聚合物材料主链上氟原子、烷基链朝向的有效调控,最终得到了一系列局部化学环境不同的局域规整共轭聚合物电池材料。进一步与上海交通大学刘烽教授和美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的Thomas P. Russell教授课题组合作,利用GIXD技术对相关材料开展研究,发现聚合物主链上微小的局部化学环境的改变,对聚合物之间的链间堆积和聚合物与富勒烯衍生物PCBM受体之间的相互作用力带来巨大的影响。研究结果表明氟原子规整取向的聚合物材料结晶性增加、链间π-π堆积距离有明显减小,同时材料的光伏器件性能也得到显著提升。进一步的研究结果发现对于主链结构相同的共轭聚合物,采用缩短烷基链长度、增加氟原子含量或提高氟原子的取向规整度三种不同方法,都可以使材料的溶解性降低并提高材料的结晶性能。然而,这三种不同的结构修饰方法对材料最终的光物理性质、形貌结构和器件性能的影响程度却大不相同。相关研究结果将增加对聚合物太阳电池材料结构与性能之间关系的深入理解,同时进一步拓宽高效聚合物太阳电池材料设计的新思路。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201601081)上。

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