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精细调控半导体聚合物自聚集与结晶度可实现最佳形貌及高性能印刷全聚合物太阳能电池

DOI：10.1021/jacs.9b10935 期刊：Journal of the American Chemical Society 出版年份：2019 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 聚合物聚集与结晶行为对全聚合物太阳能电池（all-PSCs）的性能起着关键作用。然而，通过分子设计调控聚合物自组装以影响体异质结活性层形貌仍具挑战性。本研究展示了一种简单有效的方法——通过系统性地用紧凑型大体积侧链（CBS）替代一定比例的烷基侧链，来调控常用萘二酰亚胺（NDI）基受体聚合物（N2200）的自聚集特性。我们合成了一系列含不同摩尔分数（x=0-1）CBS单元的无规共聚物（PNDI-CBSx），紫外-可见吸收光谱、光致发光（PL）光谱、热分析及掠入射X射线散射（GIWAXS）技术证实：随着x值增加，这些受体聚合物在溶液相的聚集程度与固态结晶度均逐渐降低。值得注意的是，相较于强自聚集的N2200，光伏结果表明：将结晶度更低的受体聚合物与给体聚合物（PBDB-T）共混，可使全PSCs的功率转换效率（PCE）显著提升至8.5%。PL猝灭效应和谐振软X射线散射（R-SoXS）分析显示，更高的短路电流密度（Jsc）源于更小的聚合物相分离畴尺寸。此外，活性层结晶度降低后对成膜方法敏感性减弱，因此从旋涂转为溶液涂布时性能无损失。但过度降低受体聚合物的聚集与结晶度会导致光伏性能下降——此时给体相分离畴尺寸增大。高度无定形的受体聚合物似乎会诱导形成更大的给体聚合物晶粒。这些结果凸显了平衡给受体聚合物聚集强度的重要性，唯有如此才能获得具有最佳活性层膜形貌的高性能全PSCs。
作者： Yilei Wu，Sebastian Schneider，Christopher Walter，Ashraful Haider Chowdhury，Behzad Bahrami，Hung-Chin Wu，Qiquan Qiao，Michael F. Toney，Zhenan Bao
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究紧凑庞大侧链（CBS）对基于NDI的受体聚合物自聚集和结晶度的影响，以优化全聚合物太阳能电池（all-PSCs）的形貌和性能。

研究成果

将CBS单元引入基于NDI的受体聚合物中，能有效调控其自聚集和结晶性，从而优化体异质结薄膜形貌并提升全聚合物太阳能电池性能。给体与受体聚合物之间达到平衡的聚集强度，对于实现具有最佳活性层薄膜形貌的高性能全聚合物太阳能电池至关重要。

研究不足

该研究聚焦于基于NDI的受体聚合物及其与PBDB-T的共混物，这可能限制了研究结果对其他聚合物体系的普适性。此外，CBS负载量超过50%对光伏性能的影响尚未充分探究。

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