JACS：新型三元聚合物给体实现高性能可拉伸有机太阳能电池

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前言回顾

聚合物太阳能电池（PSCs）由于其通过低成本的溶液涂覆方法生产柔性太阳能电池而受到越来越多的关注。得益于新型开发的聚合物给体（PDs）和小分子受体（SMAs），PSCs的功率转换效率（PCE）现已超过18%。对于PSCs的未来商业化，设计既高效又机械坚固的可拉伸器件至关重要，因为机械应力是导致器件故障的主要因素。然而，几乎所有高性能PSCs都由完全共轭的刚性PDs和SMAs组成，它们的拉伸性较低（即裂纹起始应变（COS）<3%）。事实上，研究人员也已经开发了一系列分子设计策略，如引入柔性非共轭间隔物，用于制备高性能和机械坚固的可拉伸PSCs（IS-PSCs）。然而，这种策略可能会牺牲电荷传输。此外，非共轭间隔物通常作为随机共聚单体加入，导致共轭长度的随机分布，这限制了合成的重复性。

图1.给体分子结构与吸收特性

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文献简介

另一种提高共轭聚合物拉伸性的策略是嵌入动态键合（如氢键）。例如，由于强的可二聚氢键，研究人员将碱基胸腺嘧啶引入到聚合物中以增强其机械性能。近日，美国南加州大学Barry C. Thompson、韩国高等科学技术研究院Bumjoon J. Kim等人开发了一种独特而简单的合成方法，将胸腺嘧啶结合到缺电子单元5,8-二溴-6,7-二氟喹喔啉的侧链中，报道了一种新型单体Q-Thy。研究发现使用胸腺嘧啶-1-乙酸作为胸腺嘧啶源而不是直接烷基化可以避免互变异构体导致的不利因素，同时会显著扩大底物的范围。研究人员设计了三种新型无规三元共聚物给体，并命名为PM7-ThyX，其中包含X=5、10和20 mol%的Q-Thy。

图2.光伏性能比较

有趣的是，研究发现，当与受体分子L8-BO混合时，PM7-Thy10不仅能够实现比PM7（16.0%）更高的PCE（17.1%），而且表现出比PM7显著更高的COS（13.7% VS 2.6%）和韧性（4.5 MJ m-3 VS 0.5 MJ m-3）。此外，与基于PM7的IS-PSCs（PCE=11.3%和PCE80%=116.5%）相比，基于PM7-Thy10的IS-PSCs显示出更高的PCE（13.7%）和机械韧性（初始PCE的80%处的应变（PCE80%）=43.1%）。事实上，在所有报道的高性能IS-PSCs中，基于PM7-Thy10的IS-PSCs的PCE和拉伸性都是最高的。这些结构说明了将第三种单体与氢键侧链共聚的新型给体分子设计策略，最终开发的分子性能可能优于母体聚合物，同时提高器件的机械韧性。

图3.器件结构与拉伸性能测试

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文献总结

综上，该工作中的设计策略有望广泛适用于其它共聚物，并为高性能可拉伸PSCs开辟了一条新途径。相关研究成果最新发表于国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》上，题为“High-Performance Intrinsically Stretchable Polymer Solar Cell with Record Efficiency and Stretchability Enabled by Thymine-Functionalized Terpolymer”。

本文关键词：有机太阳能电池，薄膜，机械韧性，胸腺嘧啶。

转自：“有机钙钛矿光电前沿”微信公众号

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