天津大学叶龙教授/耿延候教授：计算辅助相容性调控实现高效率聚噻吩-非富勒烯光伏电池

天津大学叶龙教授和耿延候教授等人针对目前聚噻吩-非富勒烯体系的相容性问题，以理论计算为指导，提出了通过引入不同比例的硅氧烷侧链来调控共混体系相容性的策略。该团队采用三元共聚调控硅氧烷侧链的比例，实现了对聚噻吩-非富勒烯体系相容性的精细调控，并获得了12.85%的器件效率。该研究还发现了器件加工参数与Flory-Huggins相互作用参数的关系，为器件优化提供了指导规律。

随着有机光伏领域的快速发展，开发廉价易得的有机半导体材料成为其商业化的关键。聚噻吩及其衍生物是一类典型的低成本且可宏量合成的有机半导体材料，是适用于未来有机光伏商业化的候选材料之一。近年来，聚噻吩类给体通过与非富勒烯受体匹配在光伏性能方面取得了大幅度提升，但其与目前高效体系之间仍存在较大差距。近期的研究工作表明，聚噻吩与非富勒烯受体之间的相容性对该类共混体系的光伏性能有重要影响。因而，提高聚噻吩-非富勒烯体系光伏性能的关键在于发展简单有效的方法来实现对相容性的精细调控。

最近，天津大学材料科学与工程学院叶龙教授和耿延候教授等以理论计算为指导，提出了一种精细调控聚噻吩-非富勒烯共混体系相容性的策略，即：在聚噻吩中引入硅氧烷侧链，改变聚噻吩中硅氧烷侧链和烷基侧链的比例。该研究团队通过改变聚合单体的比例，合成了一系列酯基取代的聚噻吩衍生物（PDCBT-Cl-Si_x），其中，硅氧烷侧链的含量从5%增加至15%，同时合成了PDCBT-Cl（x=0%）和PDCBT-Cl-Si（x=100%）作为参照（图1）。

图1（a）PDCBT-Cl、PDCBT-Cl-Si和非富勒烯受体的化学结构；（b）聚噻吩-非富勒烯共混体系的X_aa计算结果；（c）PDCBT-Cl-Si_x的合成路线 

该团队同时采用熔点降低法和接触角法研究了硅氧烷侧链对该系列聚噻吩衍生物和ITIC-Th1共混体系的相容性的影响。实验结果与计算结果一致，即随着硅氧烷含量的增加，该共混体系的Flory-Huggins相互作用参数（X_aa）大幅提升，相容性逐渐变差（图2）。

图2  （a-e）熔点下降法测试聚噻吩/ITIC-Th1体系的X_aa参数;（f）共混体系X_aa参数与硅氧烷侧链含量的关系图 

研究人员在使用溶剂蒸气退火优化器件性能的过程中，发现随着SVA时间的延长，五个共混体系的器件效率均先升高后降低，但最佳SVA时间均不同。他们进一步发现溶剂蒸气退火的最佳时间与共混体系的X_aa值呈负相关（图3），即：较高的X_aa可能提供更强的驱动力来到达热力学平衡态，有利于缩短初始膜达到最佳相态所需的SVA时间。这一发现为使用简单的材料物理参数预测器件加工参数提供了新思路。经过对相容性的精细调控和合理的相区尺寸控制，PDCBT-Cl-Si5:ITIC-Th1获得了最高的器件效率，达到12.85%，这是目前聚噻吩-非富勒烯光伏器件的最高效率。 

图3 （a）最佳退火时间与X_aa的关系图;（b）聚噻吩/ITIC-Th1共混体系相图。 

作者通过在聚噻吩中引入不同含量的硅氧烷侧链，实现了对聚噻吩-非富勒烯共混体系的相容性和相分离形貌的精细调控，并将该体系的器件效率提高至12.85%。该研究还揭示了最佳蒸气退火时间与X_aa的关系，对低成本聚噻吩-非富勒烯体系的器件优化有指导意义。

详见: Qi Wang, Miaomiao Li*, Zhongxiang Peng, Nigel Kirby, Yunfeng Deng, Long Ye*, Yanhou Geng*. Calculation aided miscibility manipulation enables highly efficient polythiophene:nonfullerene photovoltaic cells. Sci. China Chem., 2021, 64, 478-487. 

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通讯作者简介

叶龙，天津大学材料学院英才教授、博士生导师。国家高层次人才计划青年项目入选者。2015年博士毕业于中国科学院化学研究所（导师：侯剑辉研究员）。2015-2019年在美国北卡罗来纳州立大学先后做博士后和研究助理教授。2019年10月入选北洋学者英才计划，进入天津大学材料学院先进高分子研究所工作，主要从事有机光电共混体系的相容性表征与调控、大科学装置薄膜结构表征等方面的研究。迄今已获授权中国发明专利2项，发表学术论文100余篇，累计被SCI引用11000余次，H-因子52。以第一作者或通讯作者在Nat. Mater.、Joule、Adv. Mater.、Acc. Chem. Res.、Angew. Chem.、Mater. Today、Sci. China Chem.等国际著名期刊发表论文50余篇。曾获中科院化学所所长特别奖、中国百篇最具影响国际学术论文、科睿唯安“全球高被引科学家”（2019和2020年）等荣誉。              

耿延候，天津大学材料学院讲席教授、博士生导师。1996年于中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位。1998-2003年先后在香港科技大学、德国马普高分子研究所（“洪堡”奖学金获得者）和美国罗彻斯特大学从事访问研究。2003-2015年任中国科学院长春应用化学研究所研究员，2015年调入天津大学工作。已发表学术论文200余篇，论文他引7000余次，申请和获授权发明专利20余项，获国家自然科学二等奖和吉林省科技进步一等奖各1项（均排名第三）。主要从事光电功能高分子的研究，研究兴趣有：（1）有机/高分子半导体材料及其应用；（2）新型芳香稠环化合物及其共轭聚合物；（3）共轭聚合物的合成方法。中国科学院“百人计划”（2003）、“国家杰出青年基金”（2005）和国务院政府特殊津贴（2011）获得者，入选科技部“中青年科技创新领军人才”（2014），国家“万人计划”科技创新领军人才（2016）等。