【引言】
常見的高效有機太陽能電池(OSCs)需要給體和受體兩種組分。此外，還有一種單組分有機太陽能電池(SCOSCs)只包含一種雙纜共軛聚合物作為光活性材料，這種SCOSCs可以有效地提升器件的穩定性并且簡化常規的雙組分OSCs的制備過程。然而，目前SCOSCs的性能仍然遠遠低于常規OSCs。一個關鍵問題是，雙纜聚合物的給體主鏈和受體側基通過共價鍵連接，互相牽制，容易形成無序的形態，造成嚴重的電荷重組與低的光電轉換效率。因此，如何實現給體主鏈和受體側基的相分離對于提升SCOSCs的效率具有重要意義。
【成果簡介】
近日，中科院化學所/北京化工大學李韋偉教授和李誠（通訊作者）在Joule上發表了一篇名為“Thermal-Driven Phase Separation of Double-Cable Polymers Enables Efficient Single-Component Organic Solar Cells”的文章。該研究開發了一種新型的以PBDB-T-Cl為給體骨架和PBI側鏈為受體的雙纜共軛聚合物(PBDBPBI-Cl)，并且發現了高溫下聚合物薄膜中，給體與受體重新自組裝為規整結構，從而獲得了效率高達6.3%的SCOSCs，并且展現了優異的穩定性。這也是目前單組分有機太陽能電池的最高效率。
【圖文導讀】
(A) 雙纜共軛聚合物PBDBPBI-Cl的化學結構；
(B) 主鏈PBDB-T-Cl的化學結構式；
(C) 側鏈PBI的化學結構式；
(D) PBDBPBI-Cl，PBDB-T-Cl和PBI三種薄膜的吸收光譜；
(E) PBDBPBI-Cl和PBDB-T-Cl的差示掃描量熱法分析(DSC)；
(F) PBI的DSC曲線。
(A-F) PBDBPBI-Cl薄膜在不同退火溫度下的GIWAXS圖譜；
(G) 不同退火溫度對應的聚合物分子鏈的長度；
(H) 與溫度相關的衍射峰極化圖。
(A-F) PBDBPBI-Cl薄膜在不同退火溫度下的GIMAXS圖譜；
(G) 對應的GIMAXS散射曲線；
(H) 退火前后的分子形貌演化。
(A) 場效應遷移率與退火溫度的關系曲線；
(B) PBDB-T-Cl，PBI,PBDBPI-Cl(25℃)和PBDBPBI-Cl(230℃退火)的PIA譜。
(A) 不同退火溫度下，SCOSCs的J-V曲線；
(B) 不同退火溫度下，SCOSCs的EQE曲線；
(C) 不同退火溫度下的開路電壓、短路電流和光電轉換效率；
(D) 穩定性測試。
(A) PBDBPBI-Cl and PBDB-T-Cl:PBI在不同波長下的折射系數和消光值(nk值)；
(B) 光活性層的吸收光子比例；
(C) PBDBPBI-Cl and PBDB-T-Cl:PBI的IQE曲線；
(D) PBDBPBI-Cl and PBDB-T-Cl:PBI太陽能電池的FTPS-EQE曲線。
【小結】
研究者開發了一種新型的雙纜共軛聚合物材料，通過溫度使其相分離，成功將SCOSCs的光電轉換效率提升至6.3%。該策略為開發新型的雙纜共軛聚合物及其納米相分離技術提供了新的思路。
文獻鏈接：Thermal-Driven Phase Separation of Double-Cable Polymers Enables Efficient Single-Component Organic Solar Cells, Joule, 2019, DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.008.
李韋偉教授團隊近年來致力于新型共軛聚合物材料及其在有機光電領域的研究，包括吡咯并吡咯二酮類共軛聚合物給體材料、苝酰亞胺類受體材料以及雙纜共軛聚合物類單組分材料，深入探索了材料的化學結構、凝聚態結構以及光電性能的關系。在雙纜共軛聚合物及其單組分有機太陽能電池研究方面，針對該領域中材料有限、凝聚態結構調控困難以及光電轉換效率低等問題，發展了雙纜共軛聚合物的合成方法，獲得了大量吸收、能級、結晶性以及遷移率可調的雙纜共軛聚合物，從分子結構（共軛主鏈、側鏈以及連接單元）以及后處理（溶劑退火以及熱退火）等方面調控聚合物的凝聚態結構，從而實現了高穩定性與高性能的單組分有機太陽能電池。在雙纜共軛聚合物以及單組分有機太陽能電池方面的工作和綜述文章可見：
1. Diketopyrrolopyrrole-Based Conjugated Polymers with Perylene Bisimide Side Chains for Single-Component Organic Solar Cells. Chem. Mater. 2017, 29, 7073.
2. “Double-Cable” Conjugated Polymers with Linear Backbone toward High Quantum Efficiencies in Single-Component Polymer Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 18647.
3. Multifunctional Diketopyrrolopyrrole-Based Conjugated Polymers with Perylene Bisimide Side Chains. Macromol. Rapid Commun. 2018, 39, 1700611.
4. An Isoindigo-Based “Double-Cable” Conjugated Polymer for Single- Component Polymer Solar Cells. Chin. J. Chem . 2018, 36, 515.
5. A new strategy for designing polymer electron acceptors: electronrich conjugated backbone with electron-deficient side units. Sci. China Chem. 2018, 61, 824.
6. Improving Electron Transport in a Double-Cable Conjugated Polymer via Parallel Perylenetriimide Design. Macromolecules 2019, 52, 3689.
7. Thermal-Driven Phase Separation of Double-Cable Polymers Enables Efficient Single-Component Organic Solar Cells, Joule, 2019, DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.008.
8. Correlating crystallinity to photovoltaic performance in single-component organic solar cells via conjugated backbone engineering. Dyes and Pigments 2019, 170, 107575.
9. Conjugated molecular dyads with diketopyrrolopyrrole-based conjugated backbones for single-component organic solar cells. Mater. Chem. Front. 2019, DOI: 10.1039/C9QM00238C.
10. Crystalline Conjugated Polymers for Organic Solar Cells: From Donor, Acceptor to Single-Component. Chem. Rec. 2019, 19, 962-972.
11. 給體/受體雙纜型共軛聚合物材料及其單組分有機太陽能電池器件. 高分子學報，2019，3, 209.
本文由金也供稿。
