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AM.葉龍、侯劍輝團(tuán)隊(duì):量化非富勒烯受體分布的新參數(shù)Φ

發(fā)表時(shí)間:2024/10/16 14:00:00

1. 引言和研究亮點(diǎn)

Adv. Mater. - 有機(jī)光伏 (OPV) 領(lǐng)域?qū)曹椌酆衔锏娜芤壕奂Y(jié)構(gòu)的研究興趣濃厚,因?yàn)樗鼘?duì)有機(jī)電子器件的形態(tài)和光電性能至關(guān)重要 。然而,精確表征 OPV 共混物的溶液聚集結(jié)構(gòu)及其溫度依賴(lài)性變化仍然具有挑戰(zhàn)性。這項(xiàng)研究利用小角度 X 射線(xiàn)/中子散射系統(tǒng)地探究了三種代表性高效 OPV 共混物的溫度依賴(lài)性溶液聚集結(jié)構(gòu),闡明了OPV 共混物中三種溶液加工彈性的情況 。該研究的亮點(diǎn)之一是發(fā)現(xiàn)高效 PBQx-TF 共混物的加工彈性可歸因于其在高溫下多尺度溶液聚集結(jié)構(gòu)的最小變化。此外,該研究還在 OPV 共混物溶液中提出并量化了一個(gè)新參數(shù):分布在聚合物聚集體中的受體百分比 (Ф),并建立了 Ф 與器件性能之間的直接關(guān)聯(lián)。這項(xiàng)研究為有機(jī)電子器件的聚集結(jié)構(gòu)研究帶來(lái)了重大進(jìn)展。

2. 研究團(tuán)隊(duì)
這項(xiàng)研究由以下科研人員共同完成。
葉龍: 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津分子光電科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,教育部有機(jī)集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心,通訊作者

侯建輝: 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所,北京分子科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,聚合物物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

陳宇: 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所。

何春勇: 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所; 中國(guó)散裂中子源科學(xué)中心。

江寒秋: 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所; 中國(guó)散裂中子源科學(xué)中心。

李娜: 中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院上海蛋白質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施。

李逸文: 中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院上海蛋白質(zhì)科學(xué)研究設(shè)施。

孫春龍: 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津分子光電科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,教育部有機(jī)集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心。
高孟媛: 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津分子光電科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,教育部有機(jī)集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心。

趙文超: 南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,高效森林資源加工與利用協(xié)同創(chuàng)新中心。

3. 研究背景

共軛聚合物因其可溶液加工、機(jī)械可變形、柔性和可拉伸的特性而廣泛應(yīng)用于制造各種溶液加工的光電器件,如有機(jī)光伏電池 (OPV)、有機(jī)光電探測(cè)器和有機(jī)電化學(xué)晶體管。由于共軛聚合物的溶液加工特性,闡明其溶液聚集結(jié)構(gòu)和隨后的組裝途徑對(duì)于控制薄膜制造過(guò)程中的多尺度形貌以及由此產(chǎn)生的光電和可拉伸性能至關(guān)重要。盡管對(duì)純共軛聚合物的溶液聚集結(jié)構(gòu)進(jìn)行了很好的表征和探索,但對(duì)光伏聚合物基共混物溶液的聚集結(jié)構(gòu)的了解仍然很少,并且顯著落后。這主要是由于組分之間散射對(duì)比度不足,以及多組分系統(tǒng)模型擬合和數(shù)據(jù)解釋的困難。


4. 研究方法和思路

本研究采用了變溫小角 X 射線(xiàn)散射 (SAXS) 和小角中子散射 (SANS) 技術(shù)來(lái)揭示一系列高效有機(jī)光伏共混物的溶液聚集結(jié)構(gòu)和加工彈性。研究選擇了三種著名的光伏聚合物 PM6、PBQx-TF PTVT-T 作為模型系統(tǒng),并選擇了分子量相似的三種聚合物材料來(lái)減少聚合物分子量的影響。

為了闡明這些聚合物在溶液中的構(gòu)象,研究人員提出了一種新的混合模型來(lái)擬合整個(gè)小角散射數(shù)據(jù)。該模型結(jié)合了圓柱形狀因子來(lái)描述聚合物聚集體的局部剛性棒狀結(jié)構(gòu),并結(jié)合統(tǒng)一擬合函數(shù)來(lái)捕捉更高結(jié)構(gòu)層次的質(zhì)量分形特征。

為了量化供體和受體材料在共混溶液中的混合程度,研究人員利用 SANS 技術(shù)對(duì)小分子受體 (SMA) 在聚合物溶液系統(tǒng)中的分布進(jìn)行了定量計(jì)算。通過(guò)分析 SANS 數(shù)據(jù)的絕對(duì)散射強(qiáng)度,研究人員提出了并量化了分布在聚合物聚集體中的受體百分比 (Ф) 這一新參數(shù)。


5. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與步驟
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本研究首先合成制備了三種光伏聚合物 PM6、PBQx-TF PTVT-T 以及三種小分子受體 Y6、BTP-eC9-2Cl BTP-eC9,并通過(guò)凝膠滲透色譜 (GPC) 測(cè)試確認(rèn)其分子量分布然后,將聚合物與小分子受體分別溶解在鄰二氯苯或甲苯中,制備不同溫度下的共混溶液,并用于旋涂制備活性層薄膜。器件制備采用 ITO/PEDOT:PSS/活性層/PFN-Br/Ag 的結(jié)構(gòu)。


6. 器件性能表征和結(jié)果解讀

本研究通過(guò)多種表征手段對(duì)材料和器件進(jìn)行了深入分析,包括:

三種共混物體系的器件 PCE 隨溶液溫度的變化趨勢(shì)。

其他表征手段


7. 結(jié)果解讀和討論

本研究的主要發(fā)現(xiàn)如下:

器件性能與加工彈性:研究人員發(fā)現(xiàn),不同共混物體系的器件性能隨溶液溫度的變化趨勢(shì)與其溶液聚集結(jié)構(gòu)和薄膜微結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)密切相關(guān) ( 5)。例如,PBQx-TF 共混物體系在不同溶液溫度下均表現(xiàn)出較高的器件效率,這與其穩(wěn)定的溶液聚集結(jié)構(gòu)和薄膜微結(jié)構(gòu)相一致。PM6 共混物體系和 PTVT-T 共混物體系的器件性能則隨著溶液溫度的升高而發(fā)生顯著變化,這也與其溶液聚集結(jié)構(gòu)和薄膜微結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)相一致。這些結(jié)果表明,控制共混物溶液的聚集結(jié)構(gòu)和薄膜的微結(jié)構(gòu)對(duì)于獲得高效且具有加工彈性的 OPV 器件至關(guān)重要


文獻(xiàn)中提出的新參數(shù)是Ф,代表分布在聚合物聚集體中的受體所占的百分比 。該參數(shù)用于量化有機(jī)光伏 (OPV) 混合溶液中施主和受主材料之間的混合程度 。

研究表明,當(dāng) Ф 值在 60 ± 5% 的范圍內(nèi)時(shí),可以獲得最佳的器件性能。 Ф 值過(guò)低或過(guò)高都會(huì)導(dǎo)致聚合物聚集體或小分子受體 (SMA) 聚集形成較大的團(tuán)簇,導(dǎo)致薄膜中明顯的相分離形貌,從而降低器件性能。


8. 本研究的意義和貢獻(xiàn)

本研究深入探討了溶液溫度對(duì)有機(jī)光伏 (OPV) 共混物聚集結(jié)構(gòu)和器件性能的影響,并揭示了高效 OPV 共混物體系中加工彈性的起源。主要貢獻(xiàn)如下:


9. 本研究的應(yīng)用價(jià)值

本研究的發(fā)現(xiàn)對(duì)于 OPV 材料和器件的設(shè)計(jì)和制備具有重要的指導(dǎo)意義:


10. 未來(lái)研究方向


11. 結(jié)語(yǔ)

本研究深入揭示了溶液溫度對(duì) OPV 共混物聚集結(jié)構(gòu)和器件性能的影響,為設(shè)計(jì)和制備高效且具有加工彈性的 OPV 器件提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。 隨著研究的深入,相信 OPV 技術(shù)將在未來(lái)的新能源領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。



文獻(xiàn)參考自Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202406653

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