【能源】北师大薄志山/周建军&青大刘亚辉/路皓团队AM：混合高低分子量D18，构建多尺度纳米网络结构制备20%高效有机太阳能电池- 大数跨境

【能源】北师大薄志山/周建军&青大刘亚辉/路皓团队AM：混合高低分子量D18，构建多尺度纳米网络结构制备20%高效有机太阳能电池

X-MOL资讯

2024-09-18

导读：北师大薄志山/周建军&青大刘亚辉/路皓团队通过将高低分子质量的D18混合的方式制备了一种高结晶性、具有多尺度纳米纤维结构的高性能聚合物给体-MIX-D18。

近年来，基于非富勒烯受体的有机太阳能电池（OSCs）在功率转换效率（PCE）上取得了显著提升，目前已超过20%。众所周知，活性层的形貌在激子生成和解离过程中起着至关重要的作用，供体/受体（D/A）界面尤为关键，因为它们为激子解离提供了驱动力。一方面，增加D/A接触界面的数量可以促进激子的生成，这对应于更密集、更精细的纳米级纤维网络。然而，过多的D/A界面可能导致激子的湮灭。另一方面，激子解离后形成的电子和空穴需要大而纯净的供体和受体区域以形成传输通道，这对应于具有强结晶质量的纳米级纤维网络。然而，如果相分离尺寸过大，则可能导致严重的激子复合。在通常均匀的活性层形貌中形成这种看似矛盾的结构是具有挑战性的。

近年来，本文作者团队在有机太阳能电池活性层形貌调控方面做了系统性的工作（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202314420; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202407007; Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2302063; Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2302554; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2301866）。在本工作中，他们通过将高低分子质量的D18混合的方式制备了一种高结晶性、具有多尺度纳米纤维结构的高性能聚合物给体-MIX-D18。该研究致力于调节活性层的形貌，以改善OSCs的各种参数。该组的研究发现，高分子量D18（HW-D18，M_n=77.3 kg/mol）能够形成细长的纤维，从而实现高的光电转换效率（PCE）。相反，低分子量D18（LW-D18，M_n=35.0 kg/mol）表现出良好的溶解性并形成较粗的纤维。通过在HW-D18中添加10%的LW-D18，制备了MIX-D18，这种材料形成了具有均匀分布的致密且粗厚的纳米级纤维的多尺度形貌。该混合物实现了20.0%的优异PCE和81%的高填充因子（FF）。

Figure 1. (a, b, c) AFM height images, (d, e, f) phase images, (g, h, i) diagram of morphology of HW-D18:L8-BO, MIX-D18:L8-BO and LW-D18:L8-BO blend films.

Figure 2. (a, c) 2D GIWAXS patterns and (b, d) 1D GIWAXS profiles of neat D18 films and blend films.

Figure 3. (a) The J-V curves; (b) The EQE curves; (c) The J_ph versus V_eff curves; (d) The J_sc and V_oc versus light intensity curves; (e) EQE_EL curves; (f) Summary of reported PCE of the corresponding OSCs.

Table 1. D18-based OSCs' photovoltaic characteristics under simulated AM 1.5 G (100 mW/cm²) illumination.

Figure 4. TA results of (a, d, g) HW-D18:L8-BO, (b, e, h) MIX-D18:L8-BO and (c, f, i) LW-D18:L8-BO blend films. a, b, c) contour plots depicting the time-dependent absorption difference spectra; d, e, f) TA spectra at different delay times; g, h, i) dynamic patterns at the chosen wavelength.

该研究成果提出了一种创新的方法，通过结合HW-D18和LW-D18的优点来创造高性能的聚合物给体。这种方法适用于不同批次的D18系统，并且在未来其他聚合物给体材料的应用中具有潜力。相关成果近日发表于Advanced Materials 期刊。

总结

为了实现最理想的相形貌，通过在HW-D18中加入10%的LW-D18以形成MIX-D18，构建一种结合粗细纤维的多尺度聚合物纤维网络。HW-D18的致密而纤细的晶体纤维网络显著增强了供体/受体（D/A）接触界面，从而促进了激子的生成。同时，LW-D18较粗的晶体纤维网络为激子解离后的电子和空穴传输提供了高效的通道。MIX-D18:L8-BO混合薄膜表现出优异的分子有序性和更长的激子扩散距离。这使得基于MIX-D18的器件能够实现20.0%的出色光电转换效率（PCE）。这一优异性能归因于陷阱辅助复合的减少，以及激子解离和电荷传输的显著改善。总体而言，通过混合不同分子量的D18聚合物，可以有效优化活性层的形貌，从而提升有机太阳能电池的PCE。这一策略对优化其他聚合物材料的光伏性能也具有重要意义。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Constructing Multiscale Fibrous Morphology to Achieve 20% Efficiency Organic Solar Cells by Mixing High and Low Molecular Weight D18

Nan Wei, Jieni Chen, Yetai Cheng, Ziqing Bian, Wenlong Liu, Haoming Song, Yawen Guo, Wenkai Zhang, Yahui Liu, Hao Lu, Jianjun Zhou, Zhishan Bo

Adv. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adma.202408934

通讯作者简介

薄志山教授

本文通讯作者，吉林大学学士、硕士、博士，德国柏林自由大学和美国北卡州立大学博士后，2002 年任中国科学院化学研究所研究员，2002 年获得基金委“杰出青年科学”基金支持，教育部长江学者特聘教授（2015-2020），教育部长江学者创新团队带头人，能量转换与存储材料北京市重点实验室主任。主要从事共轭聚合物光电功能材料的合成与性能研究，在国际重要学术期刊发表学术论文 300 余篇，包括Nat. Energy, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. China Chem., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Mater., Macromolecules等高水平论文。

https://www.x-mol.com/groups/gnrlyyyjs

刘亚辉教授

青岛大学本文通讯作者，青岛大学教授，山东省优青，山东省青年泰山学者。2013 年本科毕业于北京师范大学获得学士学位。2018 年博士毕业于北京师范大学获得博士学位，师从北京师范大学薄志山教授。2020 年加入青岛大学纺织服装学院，功能染料与应用技术研究院核心成员，博士/硕士生导师，主持国家青年基金、面上项目等。研究方向：有机光电材料与器件，如有机太阳能电池关键材料、钙钛矿太阳能电池空穴传输材料等，开发了多种非富勒烯受体材料，共轭聚合物给体材料等。至今发表 SCI 论文 70 余篇，包括J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. China Chem., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Mater., Macromolecules等高水平论文。

路皓副教授

青岛大学本文通讯作者，硕士生导师，青岛大学特聘教授。2022 年 6 月博士毕业于北京师范大学。2022 年入职青岛大学，现为青岛大学材料科学与工程学院高分子材料系副教授，同时任职于青岛大学功能染料与应用技术研究院，长期从事有机光伏材料与器件的研究。以第一作者/共同一作/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett., Chem. Eng. J., Sci. China Chem.等学术期刊上发表 40 多篇研究论文，多篇论文被杂志高亮报道。

周建军副教授

北京师范大学博士生导师，理学博士（中国科学院化学研究所），以通讯作者身份发表Sci. Adv., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.等高品质文章百余篇，主要研究方向：聚合物结晶，聚合物多孔薄膜的拉伸研究以及锂离子电池及其隔膜。

https://www.x-mol.com/university/faculty/8983

招聘启事

青岛大学功能染料与应用技术研究院高薪诚聘博士后若干人，课题组网址：https://www.x-mol.com/groups/gnrlyyyjs。此外，青岛大学与北京师范大学课题组，长期招收博士、硕士研究生，课题组致力于光电材料与器件的研究，包括太阳能电池材料、器件物理、钙钛矿太阳能电池、发光二极管和柔性可穿戴器件等，有意者请联系：liuyh@qdu.edu.cn

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