中科院化学所侯剑辉研究员与天津大学叶龙教授Aggregate：高性能聚合物光伏材料的聚集态结构调控

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文章简介

基于共轭高分子材料的有机光伏电池（OPV）由于其质量轻、柔性、可卷对卷大面积溶液加工等优点备受关注，近年来得到了快速发展。研究人员通过分子结构设计和器件制备工艺的创新，在器件光伏性能和稳定性方面取得了系列进展。然而，如何同时实现高PCE和优异的稳定性仍然是OPV面临的挑战。在OPV中，电荷载流子的产生、传输和收集均受到高分子各级组装结构（从分子尺度的单链形态到介观尺度的相分离结构）的影响。由于共轭高分子兼具柔性和刚性分子的自组装特性且分子间存在复杂的p-p相互作用和氢键作用，使得表征和调控共轭高分子及其共混薄膜的多级组装结构极具挑战。因此，为实现兼具高性能和优异稳定性的光电器件，亟需加深对多尺度聚集态结构的理解并构建全面的“结构-性能”关系（图1）。

图1. 有机/聚合物光伏材料的分子结构、薄膜聚集态结构和OPV器件性能之间的相互关联

在该综述中，作者首先运用高分子物理的观点描述了由单个聚合物分子链演变至OPV活性层本体异质结形态的过程，跨越多个长度尺度，包括多链结构/分子聚集体、半晶结构、相分离结构、本体异质结形貌（图2）。重点阐述了纯聚合物和共混薄膜多级聚集态结构的特征及相应的特征参数，并总结了表征聚合物光伏共混体系微观结构/形貌的关键技术。随后，作者从聚合物:富勒烯共混体系和聚合物:非富勒烯小分子受体共混体系两方面详细讨论了多种代表性光伏体系（特别是创下效率记录的共混体系）的聚集态结构调控策略，阐明了聚集态结构对器件性能的影响机制，进而归纳了OPV的结构-性能关系和一些普适性规律。最后，作者对于调控和优化聚合物光伏材料及其共混体系的聚集态结构提出了见解，并对其当前存在的挑战和机遇进行了总结与展望，为建立分子结构、聚集态结构、器件性能/稳定性的相互关联提供了重要参考。

图2. 不同尺度下共轭高分子（共混体系）的结构示意图及相关结构参数

本文的第一作者为天津大学材料学院硕博连读研究生高梦圆，共同作者为中国科学院化学研究所硕士研究生王文璇，通讯作者为中国科学院化学研究所侯剑辉研究员和天津大学叶龙教授。

原文链接
https://doi.org/10.1002/agt2.46

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