天津大學葉龍教授等《Adv. Funct. Mater.》：在全聚合物光伏電池的力學性能研究中取得新進展
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有機光伏電池由于其輕薄、透明、柔性、易加工等特點，近年來得到了廣泛的關(guān)注。由聚合物給體和聚合物受體構(gòu)筑的共混體系在器件穩(wěn)定性和機械柔韌性上具有顯著優(yōu)勢，可以賦予光伏器件更優(yōu)越的形貌穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定、光熱穩(wěn)定性，從而使得器件壽命延長，滿足可穿戴及柔性可拉伸應用。其中，活性層在應變中能否保持高效的電荷傳輸能力和穩(wěn)定的微結(jié)構(gòu)，是構(gòu)筑高性能柔性有機光伏電池的核心問題之一。
天津大學材料學院葉龍教授 近年來圍繞以上問題，系統(tǒng)開展了多相多組分有機光伏薄膜力學性能的表征、調(diào)控與預測，并取得了一系列進展（ Adv. Energy Mater. 2021 , 11 , 2003506; Adv. Mater. 2021 , 33 , 2106732 ）。為了解決非富勒烯小分子受體的固有脆性，他們在前期的研究中提出了一種提高聚合物 : 小分子共混體系拉伸性能的新方法 （ 即引入商業(yè)化低成本的熱塑性彈性體 -SEBS 作為第三組分 ），并闡明了彈性體組分對活性層光伏性能與力學性能的影響機制 。 具有優(yōu)異拉伸性能的 SEBS 可以在保持 活性層 高效率 的 同時，大幅提高聚合物給體和非富勒烯小分子受體的共混薄膜拉伸性能。此外，葉龍教授還與山東大學高珂教授、香港科技大學顏河教授團隊展開合作，深入分析了一些新型有機光伏共混體系的力學性能（ Matter 2022 , 5 , 725 ）。
為了建立全聚合物光伏體系力學性能的調(diào)控規(guī)律，近期葉龍教授等人全面表征了幾種具有代表性的聚合物給體（ PTzBI-Si 、 PTVT-T 、 PM6 和 PTQ10 ）和經(jīng)典聚合物受體 PNDI 的共混體系（圖 1 ）的力學性能、相容性和薄膜微結(jié)構(gòu)?；谝幌盗械谋∧そY(jié)構(gòu)與力學表征，他們初步揭示了共混體系的相容性、微結(jié)構(gòu)與力學性能之間的關(guān)系，并在高效率的體系中進行了驗證。
圖 1. 聚合物給 /受體材料的分子結(jié)構(gòu)與薄膜的應力應變曲線。
通過彈性體拉伸、水面拉伸 、峰值力定量納米力學成像 等方法對不同含量的共混薄膜進行了表征（圖 2 ），研究發(fā)現(xiàn)隨著 PNDI 含量的增加，不同共混薄膜的彈性模量變化趨勢具有顯著差異。這說明共混薄膜的力學性能不僅與給、受體各自的力學性能有關(guān)，還受微觀形貌結(jié)構(gòu)等因素的影響。
圖 2. 不同全聚合物共混薄膜的力學性能隨組分含量的變化趨勢
在不同的給體聚合物中引入聚合物受體 PNDI 時， PNDI 在共混膜中表現(xiàn)的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)各不相同，例如，在 PTzBI-Si 和 PTVT-T 中更容易形成連續(xù)相。此外，通過掠入射 X 射線散射（ GIWAXS ）發(fā)現(xiàn) PTzBI-Si 和 PTVT-T 對 PNDI 的結(jié)晶影響更大（圖 3 ），更多的無定形區(qū)可以更好地提升其力學性能，這從微觀結(jié)構(gòu)上解釋了不同聚合物共混膜在力學行為上的差異。
圖 3. 不同共混薄膜的 GIWAXS 圖樣與結(jié)構(gòu)參數(shù)信息
為了深入探究不同聚合物共混薄膜形成多種聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)原因，作者利用熔點降低法研究了各種聚合物給體與 PNDI 的相互作用參數(shù)（ χ aa ），發(fā)現(xiàn) χ aa 值為負時，聚合物共混膜的相容性較好，易于形成相互纏結(jié)的共連續(xù)相或力學性能較好的 PNDI 連續(xù)相。作者還發(fā)現(xiàn)這幾種聚合物共混膜的彈性模量可以分別利用 Davies 、 Kerner 以及 Budiansky 模型進行預測（圖 4 ），這為制備高可拉伸性的有機光伏薄膜提供了理論參考。
圖 4. 全聚合物光伏電池中力學性能、相容性和薄膜微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系
最后，作者采用目前高效率的全聚合物共混體系 PM6:PY-IT 對以上研究進行了驗證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以形成共連續(xù)結(jié)構(gòu)的 PM6:PY-IT 共混膜可以被 Davies 模型很好地預測（圖 5 ），拓展了該構(gòu)效關(guān)系在小分子受體高分子化的聚合物受體中的適用性。該研究建立的構(gòu)效關(guān)系將為進一步理解和調(diào)控多相多組分有機光伏薄膜的光伏性能以及力學性能提供參考。
圖 5. Davies 模型在高效率全聚合物體系 PM6:PY-IT 力學性能預測中的適用性
相關(guān)結(jié)果以 “ Unraveling the Correlations between Mechanical Properties, Miscibility, and Film Microstructure in All-Polymer Photovoltaic Cells ” 為題發(fā)表在國際著名材料期刊《 Advanced Functional Materials 》 。論文第一作者為天津大學材料學院的2020 級博士生 周康康 同學，通訊作者為天津大學 葉龍 教授和長春師范大學 張有地 副教授。該工作得到了天津大學耿延候教授的指導和幫助。研究涉及的同步輻射測試在上海同步輻射光源和北京同步輻射裝置多個線站完成 。該項研究得到了國家自然科學基金 和 天津大學北洋學者英才計劃啟動經(jīng)費的大力支持。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202201781
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