“化无规为有序，小分子大作用”武汉理工王涛课题组AM：烷氧噻吩小分子实现聚合物大分子纤维化，实现有机太阳能电池性能普适性提升

有机太阳能电池使用有机半导体为光活性层将光子转化为电能，作为一种下一代光伏技术具有成本低、柔性便携和半透明等优势。在过去的几年里，由于新材料的创制和器件结构的创新，有机太阳能电池取得了重大进展，光电转换效率得到迅速提升。目前，有机太阳能电池器件可以在标准单太阳条件下（AM 1.5G）实现超过19%的光电转换效率，逐渐缩小与无机太阳能电池之间的差距。

有机太阳能电池的活性层形貌与器件性能直接关联，分子取向和堆积、给/受体相分离等都显著地影响光吸收、激子解离和载流子输运等光电转换过程。如果活性层中电子给体和电子受体能够形成双连续异质结结构，将提供给体和受体足够的界面进行有效的激子解离，更能实现高效的载流子传输，最终获得高效率的有机太阳能电池，是研究者们一直致力于构建的理想光活性层形貌。

图1 给体纤维化的赝本体异质结有机太阳能电池

对于聚合物给体的纤维化，相关研究通常是采用化学方法对聚合物给体材料进行分子结构设计，使聚合物给体分子具备较强的自组装能力，在溶液法制备过程中形成纤维网络结构。但聚合物的合成过程复杂，提纯困难，而且批次重复性难以得到保证，这也使得能够实现纤维网络结构的给体材料种类受限。

图2 （a）PM6、（b）T-2OMe、T-OEH和T-2OEH的化学结构、（c） 添加或不添加添加剂的PM6薄膜的吸收曲线、（d-g）原子力显微镜高度图像、（h-k）2D GIWAXS图像

本文摒弃对聚合物给体化学改性的复杂工艺，设计合成了一系列具有烷氧基结构的噻吩衍生物T-OEH和T-2OEH, 作为液体添加剂来改善聚合物给体的形貌结构。

图3 分子动力学模拟添加剂对PM6分子的作用

分子动力学模拟显示，T-OEH和T-2OEH添加剂分子倾向于吸附在聚合物的烷基侧链附近，通过烷基链间的缠结增加聚合物给体分子间的相互作用，促使原本不规则堆叠的聚合物分子有序排列，实现纤维自组装。

图4 添加剂分子的作用机理

作者采用上述添加剂分子处理PM6聚合物电子给体，再通过逐层涂膜，以L8-BO为电子受体制备有机太阳能电池，发现这种理想形貌结构能够有效改善给体材料的空穴迁移率以及其他光电参数，最终实现19.2%的光电转换效率。

图5 添加剂对有机太阳能电池光电参数的作用

此外，作者还将T-2OEH应用于PTB7-Th、D18、PBDB-T等另外三种聚合物给体材料中，同样观察到类似的纤维网络形貌，以及改善的光电转换参数，证实这类添加剂可以实现有机太阳能电池效率的普适性提升。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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