AEnM:聚合物聚合程度在高性能非富勒烯聚合物太陽電池中的內在作用

2021-01-19 MaterialsViews

聚合物太陽能電池（PSCs）以其成本低、重量輕、靈活等獨特的優點引起了人們的廣泛關注。在過去五年中，基於非富勒烯小分子為受體的PSCs在效率方面取得了顯著提升，認證的功率轉換效率(PCEs)從11%迅速提高到17%以上。然而，大量的研究表明，基於非富勒烯小分子的PSCs隨著時間的推移會出現快速的性能退化，尤其是在暴露於氧氣、光照或高溫環境下。因此，開發具有穩定光伏性能且不出現不良降解的高效PSCs仍然是一個重大挑戰。相比小分子受體更明確的分子特性，聚合物給體通過微調聚合度(包括重均分子量(Mws)和多分散性(PDI))可以表現出在不同外部壓力下的老化降解差異。然而，之前的研究中尚未完全涵蓋多重多重降解特徵與聚合程度之間的聯繫。如果能夠初步建立這種關聯，對設計的高效率聚合物材料進行應用前景評估是非常重要的。

武漢大學高等研究院閔傑課題組為了合理建立分子性質、結構、效率和相關穩定性在聚合度方面的相關性，合成了一系列具有不同聚合物程度的PM6聚合物，深入分析了Mws和PDI參數對經典高效光伏體系PM6:Y6的光伏效率和穩定性（包括了光氧穩定性，儲存穩定性，光穩定性，熱穩定性和機械穩定性）的影響。相關結果發表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.202002709）上。

研究表明，PM6:Y6光伏體系的效率隨Mws的增加或PDI的減小而增大，高分子量的PM6聚合物具有16%以上的效率，在共混物中表現出較低的光漂白率，且在器件中具有更高的存儲率和機械穩定性，而在PM6-PDI的光伏系統中穩定性的變化並不明顯。除此之外，與之前基於富勒烯的PSCs的結論不同，本研究的結果表明PM6中等分子量在體異質結共混物中表現出更高的光穩定性和熱穩定性，而不是具有更高分子量的PM6聚合物。進一步分析光照和熱穩定性的顯著差異主要來源於分子間的相互作用和在外部應力因素作用下的缺陷密度變化。因此，聚合物材料的效率-穩定性差距嚴重依賴於其聚合程度，而微調聚合物的聚合度則可以有效提高相應光伏系統的效率或多重穩定性。

此工作拓展了目前效率/穩定性權衡的研究範圍，闡述了更準確的評估方法，倡導研究工作者在設計和合成新聚合物時，一方面要考慮優化其分子量和多分散性，以獲得高性能。另一方面，也需考慮分子量及多分散性對多重穩定性的影響，來實現高效且穩定的光伏器件，以克服有機太陽能電池在實現目標應用的道路上所面臨的公認挑戰。

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