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  近日，北京化工大學李韋偉教授團隊的最新研究結果揭示了調控給受體雙纜共軛高分子相分離的關鍵因素：給、受體的協(xié)同結晶，首次在單組分有機太陽能電池領域提出“協(xié)同結晶”概念，為高性能雙攬型共軛聚合物提供了普適性分子設計策略。相關成果以Research Articles形式發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上，題目為“Crystalline Cooperativity of Donor and Acceptor Segments in Double-Cable Conjugated Polymers toward Efficient Single-Component Organic Solar Cells”，DOI: 10.1002/anie.201910489。中國科學院化學研究所李誠副研究員為論文第一作者，李韋偉教授為通訊作者。

  單組分有機太陽能電池的活性層只含一種共軛聚合物，具有穩(wěn)定性好以及制備工藝簡單的特點，在大規(guī)模卷對卷印刷生產中具有優(yōu)勢。雖然歷經幾十年的研究發(fā)展，這類電池的光電轉換效率仍然遠低于本體異質結型有機太陽能電池。主要原因是在單一材料中分子內給、受體的相分離調控難度大。基于此，李韋偉教授團隊一直致力于從分子層面揭示單組分共軛材料相分離調控的關鍵因素，以此實現(xiàn)高性能的單組分有機太陽能電池。

  首先，研究人員設計合成出兩種新型雙攬共軛聚合物，結構式如圖一所示，其主鏈均為PBDB-T給體聚合物，側鏈為PBI受體片段。在P1中PBI受體對稱且垂直地分布在主鏈聚合物兩側。在P2中PBI受體不對稱且傾斜地分布在主鏈聚合物兩側。這兩個聚合物擁有相同的給受、體結構，在電池工作過程中與給、受體本征性質直接相關的參數(shù)沒有差別，唯一不同的是受體片段的分布方式。因此這兩個聚合物是從分子層面探究給受、體結晶行為與相分離關系的理想模型。

圖1.雙攬聚合物的化學結構式及其分子內微納相分離示意圖

圖2.聚合物的吸收光譜圖及DSC圖

  聚合物的吸收光譜中R1、R2峰屬于受體片段PBI的吸收，且其峰值強度比可以反映受體的結晶程度。R3峰屬于主鏈PBDB-T的吸收。從吸收圖中可以明顯看出P1的R3峰較P2紅移20納米左右，說明主鏈聚合物在P1中的結晶優(yōu)于P2。此外，P2的R1/R2值大于P1，這說明受體PBI在P2中的結晶優(yōu)于P1。同時結合DSC數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)P1的相變行為與主鏈聚合物類似，而P2在250度左右有明顯的相變，這個相變峰很有可能是PBI結晶造成的。

圖3.聚合物的AFM圖

  聚合物的AFM圖顯示P1的薄膜中主要以纖維狀晶體為主，P2的薄膜中主要以沙粒狀晶體為主。P1的薄膜隨著退火溫度的升高其粗糙度在下降，而P2的薄膜隨著退火溫度的升高粗糙度在明顯升高。這說明P1中給體和受體協(xié)同結晶性優(yōu)于P2。

圖4.聚合物的GIWAXS圖

  聚合物的二維X射線衍射（GIWAXS）結果顯示P1和P2薄膜相對于基底均以face on的取向為主。結合純給體PBDB-T和純受體PBI各自的衍射數(shù)據(jù)，他們認為在退火過程中P1和P2薄膜(h00)衍射峰的變化由聚合物主鏈主導，(010)衍射峰的變化主要由受體側鏈主導。在P1的薄膜中(h00)和(010)距離均隨著退火溫度的升高而減小，說明P1在退火過程中給、受體協(xié)同結晶。在P2薄膜中(010)距離隨退火溫度的升高而減小，但是其(h00)距離隨退火溫度升高明顯變大，這說明在P2中PBI的過度結晶會“拉扯”主鏈，導致主鏈的結晶性變差。

圖5. 聚合物的電荷傳輸性能

  在此基礎上，研究人員通過有機場效應晶體管器件研究了這兩個聚合物的電荷傳輸性能。這類雙攬型共軛聚合物中空穴傳輸能力由給體主鏈提供，電子傳輸能力由受體提供。P1的空穴和電子遷移率均隨著退火溫度的升高而增加，說明P1中給、體和受體協(xié)同結晶。P2的電子遷移率隨溫度升高明顯增加，而空穴遷移率隨溫度升高而降低，這與GIWAXS結果一致，在P2中PBI的過度結晶會“拉扯”主鏈，導致主鏈的結晶性變差。

表1. 聚合物的光伏性能

  這兩個聚合物在退火過程中給、受體結晶協(xié)同性的差異必然會導致不同的光伏性能。如表1所示，P1的光伏性能隨退火溫度升高而升高，P2的光伏性能隨退火溫度升高而降低，尤其是在200度退火后光伏性能急劇下降。除此之外，研究人員還和國家納米科學中心劉新風教授、東華大學唐正教授、上海交通大學劉烽教授團隊合作，系統(tǒng)研究了該類單組分電池的光電轉換過程中的激子擴散與電荷傳輸機制。

  這一系列研究證明了給、受體協(xié)同結晶對于單組分有機太陽能電池形貌調控的重要性，為今后高性能能單組分有機太陽能電池材料的開發(fā)奠定基礎�！袄蠅匮b新酒”的單組分有機太陽能電池擁有巨大的研究價值和應用潛力。

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201910489

作者簡介：

  李誠副研究員，2010年7月于北京師范大學獲得學士學位，2015年7月于中國科學院化學研究所獲得博士學位。畢業(yè)后留中國科學院化學研究所工作，2018年3月任副研究員。研究方向為有機光電材料的設計、合成及應用。

  李韋偉教授，博士生導師，2005年于中國科學技術大學獲學士學位，2010年于中國科學院化學研究所獲博士學位，2010-2011年、2011-2014年分別在加拿大阿爾伯達大學和荷蘭埃因霍溫理工大學從事博士后研究。2015年入職中國科學院化學研究所并入選中組部青年千人計劃。2019年起，于北京化工大學材料科學與工程學院任教授。研究方向為有機半導體材料及器件。