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。在已报道的聚噻吩类给体材料中，以酯基噻吩为构筑单元的聚噻吩衍生物是目前光伏性能最高的给体材料，器件效率可以达到~12%，但仍与目前高效体系之间存在较大差距。活性层形貌是影响光伏性能的关键因素。深入理解这类低成本有机光伏共混体系的相分离结构及其影响因素，建立系统全面的分子结构-薄膜相态-光伏性能之间的关系对共混体系进一步的优化和发展以及OPV产业化进程的推进具有重要意义。最近，天津大学材料科学与工程学院的耿延候教授和叶龙教授研究团队以酯基取代聚噻吩给体材料PDCBT-Cl（Macromolecules, 2019, 52, 4464-4474）为研究对象，选用了5种具有不同末端基团或中间单元的代表性非富勒烯受体材料（ITIC-Th1、ITIC、IT4F、IDIC和Y6），从共混热力学及成膜动力学角度对不同体系相态的差异进行了深入研究，通过系统分析这类结晶性共混体系中非晶-非晶相互作用参数χaa、结晶-非晶相互作用参数χca以及活性层形貌淬灭程度，建立了共混体系分子结构-薄膜相态-器件性能之间的关系。研究发现，不同于基于苯并二噻吩单元的给体聚合物与Y6与共混体系在光伏效率上取得的巨大成功，PDCBT-Cl与Y6匹配仅获得~0.5%的能量转换效率，其本质原因在于PDCBT-Cl与Y6高度相容，共混体系处于单相态，难以发生相分离。而PDCBT-Cl:ITIC-Th1共混体系中给受体材料具有合适的相容性，通过对共混薄膜进行精确的后处理可以使混合相组成锁定在利于电子传输的渗透阈值附近，且活性层薄膜中可以形成更有序的分子堆积，有利于载流子传输，从而获得了超过12%的器件效率。基于对5种共混体系的系统研究，他们为进一步提高聚噻吩-非富勒烯共混体系的光伏性能从分子设计结构及和器件结构两方面提出了优化策略。该工作对低成本聚噻吩体系的分子设计及聚集态结构调控具有重要的指导意义。给受体材料的相容性及分子有序性对聚噻吩:非富勒烯体系薄膜形貌及器件性能有重要影响。非富勒烯受体材料需要与聚噻吩给体材料在热力学上匹配，高度相容的体系难以获得高的器件性能。该研究表明采用物理参数如非晶-非晶相互作用参数χaa、结晶-非晶相互作用参数χca等可以为聚噻吩体系分子结构设计、薄膜形貌调控及给受体材料匹配提供指导，进一步推动有机太阳能电池商业化进程。
图1. PDCBT-Cl与典型非富勒烯受体材料的共混体系χ-ϕ相图基构效关系
相关结果以“Optimization Requirements of Efficient Polythiophene: Nonfullerene Organic Solar Cells”为题发表在能源材料权威期刊《Joule》上，论文的第一作者为天津大学材料科学与工程学院的博士生梁紫琦，通讯作者为叶龙教授和李淼淼博士。论文的共同作者包括天津大学耿延候教授、邓云峰副教授和北卡州立大学的Harald Ade教授。该项研究得到国家自然科学基金项目和发光材料与器件国家重点实验室开放基金的支持以及上海同步辐射光源的机时支持。https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.04.014http://tjmos.tju.edu.cn/gyh/index.htmhttps://www.x-mol.com/groups/long-yehttp://tjmos.tju.edu.cn/info/1316/1918.htm
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