【复材资讯】给受体双缆共轭高分子相分离调控的关键因素：给、受体的协同结晶

图1.双揽聚合物的化学结构式及其分子内微纳相分离示意图

图2.聚合物的吸收光谱图及DSC图

图3.聚合物的AFM图

  聚合物的AFM图显示P1的薄膜中主要以纤维状晶体为主，P2的薄膜中主要以沙粒状晶体为主。P1的薄膜随着退火温度的升高其粗糙度在下降，而P2的薄膜随着退火温度的升高粗糙度在明显升高。这说明P1中给体和受体协同结晶性优于P2。

图4.聚合物的GIWAXS图

  聚合物的二维X射线衍射（GIWAXS）结果显示P1和P2薄膜相对于基底均以face on的取向为主。结合纯给体PBDB-T和纯受体PBI各自的衍射数据，他们认为在退火过程中P1和P2薄膜(h00)衍射峰的变化由聚合物主链主导，(010)衍射峰的变化主要由受体侧链主导。在P1的薄膜中(h00)和(010)距离均随着退火温度的升高而减小，说明P1在退火过程中给、受体协同结晶。在P2薄膜中(010)距离随退火温度的升高而减小，但是其(h00)距离随退火温度升高明显变大，这说明在P2中PBI的过度结晶会“拉扯”主链，导致主链的结晶性变差。

图5. 聚合物的电荷传输性能

  在此基础上，研究人员通过有机场效应晶体管器件研究了这两个聚合物的电荷传输性能。这类双揽型共轭聚合物中空穴传输能力由给体主链提供，电子传输能力由受体提供。P1的空穴和电子迁移率均随着退火温度的升高而增加，说明P1中给、体和受体协同结晶。P2的电子迁移率随温度升高明显增加，而空穴迁移率随温度升高而降低，这与GIWAXS结果一致，在P2中PBI的过度结晶会“拉扯”主链，导致主链的结晶性变差。

表1. 聚合物的光伏性能

  这两个聚合物在退火过程中给、受体结晶协同性的差异必然会导致不同的光伏性能。如表1所示，P1的光伏性能随退火温度升高而升高，P2的光伏性能随退火温度升高而降低，尤其是在200度退火后光伏性能急剧下降。除此之外，研究人员还和国家纳米科学中心刘新风教授、东华大学唐正教授、上海交通大学刘烽教授团队合作，系统研究了该类单组分电池的光电转换过程中的激子扩散与电荷传输机制。

  这一系列研究证明了给、受体协同结晶对于单组分有机太阳能电池形貌调控的重要性，为今后高性能能单组分有机太阳能电池材料的开发奠定基础。“老壶装新酒”的单组分有机太阳能电池拥有巨大的研究价值和应用潜力。

文章来源：高分子科技