Advanced Energy Materials:聚合物聚合程度在高性能非富勒烯聚合物太阳电池中的内在作用

聚合物太阳能电池(PSCs)以其成本低、重量轻、灵活等独特的优点引起了人们的广泛关注。在过去五年中,基于非富勒烯小分子为受体的PSCs在效率方面取得了显著提升,认证的功率转换效率(PCEs)从11%迅速提高到17%以上。然而,大量的研究表明,基于非富勒烯小分子的PSCs随着时间的推移会出现快速的性能退化,尤其是在暴露于氧气、光照或高温环境下。因此,开发具有稳定光伏性能且不出现不良降解的高效PSCs仍然是一个重大挑战。相比小分子受体更明确的分子特性,聚合物给体通过微调聚合度(包括重均分子量(Mws)和多分散性(PDI))可以表现出在不同外部压力下的老化降解差异。然而,之前的研究中尚未完全涵盖多重多重降解特征与聚合程度之间的联系。如果能够初步建立这种关联,对设计的高效率聚合物材料进行应用前景评估是非常重要的。

武汉大学高等研究院闵杰课题组为了合理建立分子性质、结构、效率和相关稳定性在聚合度方面的相关性,合成了一系列具有不同聚合物程度的PM6聚合物,深入分析了Mws和PDI参数对经典高效光伏体系PM6:Y6的光伏效率和稳定性(包括了光氧稳定性,储存稳定性,光稳定性,热稳定性和机械稳定性)的影响。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.202002709)上。

研究表明,PM6:Y6光伏体系的效率随Mws的增加或PDI的减小而增大,高分子量的PM6聚合物具有16%以上的效率,在共混物中表现出较低的光漂白率,且在器件中具有更高的存储率和机械稳定性,而在PM6-PDI的光伏系统中稳定性的变化并不明显。除此之外,与之前基于富勒烯的PSCs的结论不同,本研究的结果表明PM6中等分子量在体异质结共混物中表现出更高的光稳定性和热稳定性,而不是具有更高分子量的PM6聚合物。进一步分析光照和热稳定性的显著差异主要来源于分子间的相互作用和在外部应力因素作用下的缺陷密度变化。因此,聚合物材料的效率-稳定性差距严重依赖于其聚合程度,而微调聚合物的聚合度则可以有效提高相应光伏系统的效率或多重稳定性。

此工作拓展了目前效率/稳定性权衡的研究范围,阐述了更准确的评估方法,倡导研究工作者在设计和合成新聚合物时,一方面要考虑优化其分子量和多分散性,以获得高性能。另一方面,也需考虑分子量及多分散性对多重稳定性的影响,来实现高效且稳定的光伏器件,以克服有机太阳能电池在实现目标应用的道路上所面临的公认挑战。