ACS Appl. Mater.：UNIST Changduk Yang & Seong-Jun Yoon 團隊提出透過氟原子定位控制聚合物側鏈構象以改善熱穩定性
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重點摘要
- 熱穩定性對於商業化非富勒烯受體為基礎的有機太陽能電池至關重要。
- 介紹了兩款新的同分異構非富勒烯受體：4FY 和 2FY，展示出不同的特性。
- 基於 4FY 的有機太陽能電池表現優異，轉換效率達到了16.4％，並且具有出色的熱穩定性。
- 對於提高有機太陽能電池的熱穩定性和改善光伏特性，戰略性地在二維側鏈上進行氟原子定位至關重要。
※研究者使用Enlitech QE-R & ELCT-3010 (now REPS) & ELCT-3010 (now FTPS) 協助量測
研究背景
研究的重點是提高基於非富勒烯受體（NFA）的有機太陽能電池（OSC）的熱穩定性和整體性能。 實現高功率轉換效率（PCE）是一個主要目標，但裝置穩定性，特別是熱穩定性，對於成功商業化同樣至關重要。 該論文強調了 NFA 的側鏈工程對 OSC 的分子堆積和熱穩定性的重大影響。 它引入了兩種異構 NFA：4FY 和 2FY，透過氟原子定位實現了不同的 2D 側鏈結構。 這些 NFA 表現出不同的分子構象，影響結晶和聚集特性。 該研究強調了氟原子定位在控制分子構像以增強 OSC 性能和穩定性方面的戰略作用。
研究成果
- 該研究介紹了兩種異構 NFA 4FY 和 2FY 的合成和表徵，它們的 2D 外側鏈中具有不同的氟原子位置。
- 4FY 在其 2D 側鏈中表現出對角拉伸構象，與 2FY 相比，具有更高的結晶度和更緻密的分子堆積。
- 基於4FY的OSC實現了明顯更高的16.4％的PCE，並表現出優異的熱穩定性，在85°C下經過360小時仍保留88.4％的PCE。
研究方法
- 聚合物合成
- 合成了在側鏈上有不同氟代替模式的共軛聚合物。
- 熱分析
- 使用熱重分析儀(TGA)測量聚合物的熱分解溫度。
- 差示掃描量熱法(DSC)提供了玻璃轉化溫度。
- 光譜分析
- 傅立葉轉換紅外線(FTIR)光譜分析了化學結構。
- 紫外-可見吸收光譜測定了光學帶隙和π共軛。
- 影像分析
- 原子力顯微鏡(AFM)成像聚合物的納米形態。
- 齊射廣角X射線散射(GIWAXS)測定了分子秩序度。
- 裝置製作和測試
- 使用這些聚合物製作了大體 heterojunction 有機太陽電池。
- 流-電壓測量確定了功率轉化效率。
- 在高溫下測試裝置以評估熱穩定性。
- 計算模擬
- 密度泛函理論計算模擬了聚合物幾何形狀。
- 分子動力學模擬評估了側鏈動力學。
結論
- 討論集中於不同分子構型對4FY和2FY的影響，強調這些構型如何影響結晶和聚集特性，最終影響OSC的性能。
- 將OSC性能提高至PCE和熱穩定性優異的4FY歸因於其最適的混合物形態，與電子供體成分更好的相容性和更強的結晶度有關。
- 討論強調了二維側鏈上氟原子的戰略定位，強調其在控制分子構型方面的關鍵作用，從而提高OSC的光伏特性和熱穩定性。討論強調了這種方法在推進有機太陽能電池技術方面的潛力。
氟定位誘發側鏈構象鎖定提高了有機太陽能電池的熱穩定性
Fig. S10 基於4FY和2FY的裝置的a) FTPS-EQE 和 b) EQEEL 標準化曲線
關鍵字
organic solar cell (OSC), Nonfullerene Acceptor, Conformational Locking
