精密調節半導体ポリマー自己集積と結晶性は,最適の形態と高性能のプリントされた全ポリマー太陽電池を可能にします

科学分野:

• 材料科学
• オーガニック電子
• ポリマー化学

背景:

• ポリマーの集積と結晶化は,全ポリマーの太陽電池 (全PSC) の性能にとって非常に重要です.
• すべてのPSCで最適なアクティブ層の形態を制御することは困難です.
• N2200のようなナフタリン二酸化物 (NDI) ベースの受容ポリマーは,しばしば強い自己集積を示す.

研究 の 目的:

• NDIベースの受容体ポリマーの自己集積と結晶性を調節するための戦略を開発する.
• すべてのPSCの形態と性能に対する制御された集積の影響を調査する.
• 高性能の全PSC材料の設計のための構造-特性関係を確立する.

主な方法:

• ランダムなコポリマー (PNDI-CBS) の合成は,アルキルサイドチェーンをコンパクトなボリュックなサイドチェーン (CBS) に置き換える.
• 溶液相集積と固体結晶性の特徴は,紫外線吸収,PLスペクトル検査,熱分析,GIWAXSを用いた.
• PNDI-CBSとドナーポリマー (PBDB-T) を混合した全PSCの製造と光伏性能試験
• PL quenchingとR-SoXSを用いた形態学的分析

主要な成果:

• CBSユニットのモラー分数を増加させることで,ポリマーの集積と結晶性が徐々に抑制された.
• より無形な受容体ポリマーで製造されたすべてのPSCは,8.5%までの功率変換効率 (PCE) を大幅に増加させました.
• 受容器の集積が減少すると,相分離領域が小さくなり,短路電流密度 (Jsc) が高まった.
• 低結晶度により,活性層は薄膜沈殿方法に対して敏感性が低下し,処理が容易になりました.
• 受容体結合の過度の減少はドナー相分離ドメインのサイズとドナーポリマー結晶を増加させ,性能を低下させた.

結論:

• サイドチェーン工学による受容体ポリマー結合の体系的な調節は,すべてのPSCの性能を向上させるための効果的な戦略です.
• 高PCEと望ましい活性層形態の達成には,ドナーと受容体ポリマーの結合強度の最適なバランスが不可欠である.
• 開発されたPNDI-CBS共ポリマーは,処理可能で高性能な全PSCへの道を示しています.