顆粒在線訊：聚合物太陽能電池（PSCs）具有低成本、重量輕、柔性和透明性的獨特優(yōu)點。將第三種成分引入PSCs的給體-受體共混膜是一種有效和容易的策略來操縱活性層的形態(tài)，以實現(xiàn)效率增強的PSCs。然而，調(diào)整第三種成分與主體材料的混溶性具有挑戰(zhàn)性。

在這項工作中，蘇州大學(xué)李永舫院士、崔超華教授等人開發(fā)第三個組分的分子設(shè)計策略，合成了三種客體材料（即BTPT、BTP-Th和BTP-2Th）來解決這個問題。作者研究并揭示了第三組分的結(jié)晶度和混溶性對控制Y6-衍生物基共混膜的相分離的影響。結(jié)果表明，以BTP-Th為第三組分的PTQ10:m-BTP-PhC6的三元PSCs獲得了18.53%的顯著功率轉(zhuǎn)換效率，使控制二元器件的效率（17.22%）顯著提高。該工作以題為“Morphology Optimization of the Photoactive Layer through Crystallinity and Miscibility Regulation for High-performance Polymer Solar Cells”發(fā)表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上。

【分子的結(jié)構(gòu)與特性】

圖1.分子結(jié)構(gòu)與設(shè)計

作者設(shè)計并開發(fā)了三種Y6衍生物（BTPT、BTP-Th和BTP-2Th，如圖1a所示）用于調(diào)節(jié)三元共混物形態(tài)。這三種客體組分與Y6系列分子具有相似的分子結(jié)構(gòu)，以確保其與廣泛使用的受體的混溶性。BTP-Th和BTP-2Th的合成路線與Y6相似。BTPT分子通過Stille偶聯(lián)、雙分子內(nèi)Cadogan還原環(huán)化、溴化、甲?；蚄noevenagel縮合反應(yīng)合成，如圖1b所示。

圖2. 分子特性分析

圖2a顯示了三種組分和Y6薄膜的吸收光譜。相對于Y6的最大吸收峰（816 nm），BTP-Th、BTP-2Th和BTPT逐漸出現(xiàn)藍(lán)移，最大吸收峰分別位于808、794和778 nm。此外，與Y6相比，BTPT、BTP-Th和BTP- 2Th的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低的未占據(jù)分子軌道（LUMO）水平均有上移趨勢（圖2b）。進(jìn)一步的研究說明這四個分子的結(jié)晶強度為Y6 > BTPT > BTP-Th > BTP-2Th。

【共混特性】

圖3. 受體混合物研究

不同質(zhì)量比的受體混合物（Y6:BTPT、Y6:BTP-Th和Y6:BTP-2Th）的差示掃描量熱法（DSC）加熱曲線如圖3a-c所示。結(jié)果表明，BTPT、BTP-Th和BTP-2Th均能有效抑制Y6的結(jié)晶。此外，作者發(fā)現(xiàn)BTPT、BTP-Th和BTP-2Th（與Y6相比）與PTQ10的混溶性較好。

將BTPT、BTP-Th和BTP-2Th加入PTQ10：Y6二元共混物中，可以提高它們的混溶性，從而延長溶液狀態(tài)時間。同時，這三種組分可以抑制Y6的結(jié)晶度，導(dǎo)致延遲聚集過程。顯然，三種三元共混物比主體的二元共混物的結(jié)晶過程更長，特別是BTP-Th基共混膜，可以為晶體核提供足夠的生長時間，使分子具有更有序的堆積取向。

圖4. 三元共混物研究

【光伏性能研究】

圖5. 光伏性能研究

考慮到BTPT、BTP-Th和BTP-2Th對Y6結(jié)晶的調(diào)控作用，作者將它們作為PTQ10：Y6共混物中的客體材料，構(gòu)建了三元PSCs。相應(yīng)的電流密度-電壓（J-V）曲線如圖5a所示。由于三種組分的LUMO水平高于Y6，且與Y6具有良好的混溶性，因此BTPT、BTP-Th和BTP-2Th基三元器件的Voc值更高，分別為0.865、0.852和0.869 V。令人鼓舞的是，將BTPT、BTP-Th和BTP-2Th作為PTQ10:Y6基器件的課題材料，對改善FF有積極的作用，使PCE得到顯著改善（圖5b）。圖5c顯示了二元器件和三元器件的外部量子效率（EQE）?；赑TQ10:Y6的二元器件在350-900 nm內(nèi)表現(xiàn)出廣泛的光電響應(yīng)，最大EQE值為88.1%。在宿主共混物中引入BTPT和BTP-Th，增強了在650-850 nm波長區(qū)域的EQE值，對應(yīng)于兩個三元器件的較高的Jsc。從EQE曲線積分得到的Jsc值與從J-V測量得到的值一致。

圖6. 共混膜及形成機理研究

PSCs的光電特性與共混膜的分子填充和體異質(zhì)結(jié)形貌有關(guān)。因此，作者首先進(jìn)行了GIWAXS分析，研究了第三組分對共混膜分子堆積行為的影響。三種三元共混薄膜均表現(xiàn)出緊密的層狀結(jié)構(gòu)和與PTQ10:Y6主體共混物相似的π-π堆疊距離（圖6c），有利于載流子的傳輸。在將BTPT，BTP-Th，BTP-2Th第三組分引入到PTQ10:Y6混合，層的晶體相干長度（CCL）值和π-π堆積峰值下降（圖6d），表明削弱分子層和π-π堆積能力導(dǎo)致在三元共混膜中抑制了Y6的聚集。通過GISAXS分析，作者觀察到這三種客體分子在調(diào)節(jié)PTQ10：Y6共混膜的疇尺寸和相分離方面具有不同的能力。這可以從四種混合物在成膜過程中的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)中推斷出來（見圖6f）。用BTP-Th取代BTPT，能更好地提高PTQ10和Y6之間的混溶性，從而進(jìn)一步提高了相分離的均勻性，并獲得了更小的疇尺寸。而以BTP-2Th作為第三組分可以進(jìn)一步提高PTQ10和Y6的混溶性，從而進(jìn)一步減小了三元共混物的疇尺寸。因此作者得出結(jié)論：第三組分的混溶能力（而不是調(diào)節(jié)結(jié)晶度強度）在調(diào)節(jié)共混膜的疇尺寸和相分離方面起著主導(dǎo)作用。

最后，作者將這三種客體材料納入PTQ10:m-BTP-PhC6系統(tǒng)中，研究其在調(diào)節(jié)光伏性能方面的作用。相對于基于PTQ10:m-BTP- PhC6的二元器件（PCE為17.22%），基于PTQ10:m-BTP-PhC6:BTPT的器件的PCE為18.06%，總體改善了Voc、Jsc和FF值。以BTP-2Th作為第三組分，得到的器件的PCE為17.57%，也高于二元器件。值得注意的是，PTQ10:m-BTP-PhC6:BTP-Th的三元器件產(chǎn)生了最高的PCE，為18.53%，Voc為0.869 V，Jsc為26.56 mA cm-2，F(xiàn)F為0.804。結(jié)果表明，這種三元策略在調(diào)節(jié)形貌以提高PSCs效率方面的普遍實用性。

總結(jié)，本文中，3種Y6衍生物BTPT、BTP-Th和BTP-2Th被開發(fā)作為PTQ10:Y6主體共混物的第三個組分，以解決Y6在薄膜形成過程中過度自聚集的問題，實現(xiàn)良好的納米級相分離。該研究提供了一種分子設(shè)計策略以開發(fā)構(gòu)建高性能三元PSCs在結(jié)晶度和混溶性調(diào)節(jié)方面的第三個組分。

來源：高分子科學(xué)前沿