天津大学叶龙&华工段春晖 Energy Environ. Sci：揭示共轭聚合物的半顺结晶效应，以调节高效且热稳定的PSCs

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前言回顾

共轭聚合物由于其重量轻、灵活性和溶液可加工性，在各种有机光电器件中有着广泛的应用。通常，共轭聚合物的高分子有序性，使其具有有效的电荷传输，这是因为有序的分子堆叠表现出的强烈π-轨道重叠。并且，连接链在促进有序域之间的有效电荷传输也发挥着重要作用。此外，聚合物供体和非富勒烯受体之间的分子间相互作用也表明，其会影响形态稳定性和结构-功能关系。通常，许多用于高性能聚合物太阳能电池（PSCs）的活性层都是基于半准结晶聚合物，包括PM6、D18、PTQ10等。这些高性能半准结晶材料既不是无定形聚合物也不是结晶聚合物。详细的理解半准结晶聚合物的分子有序性对于合成高效和热稳定的有机光电器件非常重要。

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文献简介

基于此，天津大学材料科学与工程学院的叶龙和华南理工大学高分子光电子材料与器件研究所的段春晖等人揭示了PSCs中共轭聚合物的半顺结晶效应，并通过使用几种具有代表性的共轭聚合物将半顺结晶与溶液聚集和光伏性能联系起来，这些聚合物主要涵盖了三类半顺结晶聚合物。具体来说，P3HT是一种典型的3D半准结晶聚合物，侧链不同的两种高效聚噻吩衍生物P5TCN和P5TCN40是2D半准结晶聚合物，而最广泛使用的PM6由于其局部得有序性被归为1D半准结晶聚合物。通过结合先进的小角度中子散射（SANS）和冻干透射电子显微镜（TEM），阐明了这四种不同分子有序的半准结晶聚合物及其共混溶液的溶液聚集结构。

图1. (a)  2D GIWAXS图谱和 (b) 四种半准结晶聚合物PM6、P5TCN-r、P5TCN和P3HT的1D图谱; (c) 作为PM6、P5TCN-r、P5TCN和P3HT的峰阶的函数的OOP方向上的（h00）衍射峰的FWHM和（d）相干长度（CL）; (e) PM6、P5TCN-r、P5TCN和P3HT的（010）衍射峰的副晶无序（g参数）、相干长度（CL）和分子堆叠层数（n）; (f) PM6、P5TCN-r、P5TCN和P3HT的第一条DSC冷却曲线

图2. (a) PM6:Y6、P5TCN-r:Y6、P5TCN:Y6和P3HT:Y6器件的J-V曲线和(b) EQE曲线; (c) 在N2气氛中85℃连续热退火下，关于器件的PCE和活性层退火时间的函数; (d) P5TCN-r:Y6和P5TCN:Y6器件在N2气氛中稳定存储，然后在65℃下热退火

图3. (a) 2D GIWAXS图案和（b）四种共混膜的1D轮廓。四种共混膜的（c）（100）衍射峰和（d）（010）衍射峰的相干长度（CL）和分子堆叠层数（n）; (e) P5TCN-r:Y6和P5TCN:Y6共混膜在85℃下长期热退火后的2D GIWAXS图案; (f)  g参数和n值，以及（g）在85℃下进行或不进行长期热退火的P5TCN-r:Y6和P5TCN:Y6共混膜的rDoC

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文献总结

总之，该课题组发现，半顺结晶聚合物在与非富勒烯小分子受体共混时溶液聚集结构的变化与其半顺结晶度密切相关。与纯聚合物溶液相比，具有高分子有序性的聚合物在共混溶液中具有更多的刚性聚集纤维，并且这种聚集增强效应在共混膜中得到了继承，而具有低分子有序度的聚合物则表现出相反的趋势。此外，通过结合各种分子间相互作用的表征和掠入射广角X射线散射（GIWAXS），他们揭示了溶液聚集体对共混膜分子堆叠性能的影响，从而阐明了溶液结构、膜形态、光伏效率，以及具有不同分子有序性的半准结晶聚合物共混物的热稳定性。其中，具有高度分子有序的2D半顺结晶聚合物体系P5TCN:Y6实现了最高的效率和最长的热稳定性。总之，这项研究强调了全面理解和理清溶液聚集行为的必要性，并为材料匹配和微观结构操作提供可靠的指导，从而开发出具有高效和热稳定性的PSCs。相关研究成果发表于国际知名期刊《Energy & Environmental Science》，题为“Tuning the Solution Aggregation and Molecular Order for Efficient and Thermally Stable Polymer Solar Cells”。

本文关键词：溶液态聚集；共轭聚合物；分子有序；相分离；有机太阳能电池

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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