香港科技大学颜河教授:利用三元共聚实现对聚合物PM6 的HOMO能级的微调
香港科技大学颜河教授团队利用三元共聚策略,通过对聚合物PM6 HOMO能级的精细调控,实现了其和具有较高HOMO能级小分子受体的良好能级匹配。
如图2a所示,聚合物PL-1和PL-2的吸收光谱与PBDB-T和PM6相似,光学带隙均约为1.84 eV。通过循环伏安法,可以获得聚合物PL-1和PL-2的HOMO以及LUMO能级,如图2b所示。为了形成可靠的对比,还同时对PBDB-T和PM6的能级进行了测量,通过实验数据可计算得到PL-1和PL-2的HOMO和LUMO能级分别为−5.47/−5.48 eV 和−3.52/−3.53 eV。将这一结果与PM6能级相比,发现PL-1和PL-2的HOMO能级分别上移了0.03 eV和0.02 eV,这表明在PM6结构骨架中引入BDT-C和BDT-S的结构单元可以有效提升聚合物的HOMO能级。此外通过对PL-1和PL-2的空穴迁移率的测量,得到PL-1和PL-2的空穴迁移率分别为9.62×10−4和 8.51×10−4 cm2 V−1 s−1, 这一结果与测量得到的PM6的空穴迁移率相近。
为了研究聚合物PL-1和PL-2的光伏性能,并将之与PBDB-T和PM6的器件性能进行比较,课题组分别以PBDB-T,PL-1,PL-2或PM6为给体,Y6为受体制备了相应的PSC器件,经过优化后器件的J-V曲线如图3f所示,具体的器件参数如表1所示。其中PBDB-T器件的PCE相对较低,主要是由于PBDB-T较高的HOMO能级所导致,这使器件Voc显著降低,且其值仅为0.71 V。而基于PM6:Y6的器件效率为15.95%,Voc为0.85 V,Jsc为24.96 mA/cm2,FF为75.6%。与基于PM6的器件参数相比,以PL-1和PL-2为给体的PSC器件Voc略有下降,这是由于共聚物具有比PM6更高的HOMO能级。此外,器件结果表明以Y6为受体时,PL-1和PL-2展现出与PM6类似或是更为优异的Jsc和FF,这一结果得益于在共混薄膜中,聚合物PL-1和PL-2表现出比PM6更紧密和有序的π堆积,从而使得PL-1和PL-2具有更好的电荷迁移能力。这一结果同样与掠入射广角X射线散射(GIWAXS)(如图3a-e所示)以及共混薄膜迁移率的实验结果相符。
图3 基于分别以聚合物PBDB-T、PL-1、PL-2和PM6为给体,Y6为受体的PSC器件活性层的GIWAXS测试以及相应器件的J-V和IPCE曲线
表 1 在光照为AM 1.5G,100 mW/cm2的条件下以PBDB-T、PL-1、PL-2或PM6为给体Y6为受体的PSC器件参数
总之,在这项工作中,为了提高PM6的HOMO能级,以使制备的聚合物与具有较高HOMO能级的受体分子相匹配,颜河课题组利用三元共聚的策略设计并合成了PL-1和PL-2。与PM6相比,PL-1和PL-2具有更高的HOMO能级、相似的吸收光谱和电荷传输特性。当与受体Y6共混后,PL-1和PL-2表现出与PM6类似或更为优异的形貌特征和器件结果。这表明通过简单共聚策略制备的聚合物,不仅可以有效地提升聚合物的HOMO能级,而且还可以保持共混膜的形貌和电荷迁移率不会受显著影响。因此,利用已有结构单元,通过简单共聚方法制备的聚合物给体,例如PL-1和PL-2,可以与具有较高HOMO能级的受体匹配来制备PSC器件,从而提升这类受体材料的PCE,并且还可以满足快速发展的SMA材料对不同能级聚合物给体的需要。该论文第一作者为香港科技大学博士后李骁骏,通讯作者为颜河教授。
详见:Xiaojun Li, Ruijie Ma, Tao Liu, Yiqun Xiao, Gaoda Chai, Xinhui Lu, He Yan, Yongfang Li. Fine tuning HOMO energy levels between PM6 and PBDB-T polymer donors via ternary copolymerization. Sci. China Chem., 2020, DOI: 10.1007/s11426-020-9805-7
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通讯作者简介
颜河,香港科技大学教授,博士生导师。在Nature,Nature Energy, Nature Mater.等国际期刊发表论文172篇,被引次数超过两万次,2018年入选Web of Science“高被引学者”。2009年研发出的高迁移率N型高分子有机半导体材料N2200登上《自然》杂志封面,被誉为“有机半导体新时代”。其科研团队多次打破有机光伏世界纪录,被载入NREL世界纪录表;开创的“温度聚集性质”和“具有低电压损失的非富勒烯有机太阳能电池”为第二代有机光伏的发展提供了原动力。其2018年成立深圳易柔光伏有限公司,提出有机光伏产业化的新路线,并带领公司拿下多项创业赛事大奖。