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ACS Appl. Mater.:UNIST Changduk Yang & Seong-Jun Yoon 团队提出透过氟原子定位控制聚合物侧链构象以改善热稳定性

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重点摘要

  1. 热稳定性对于商业化非富勒烯受体为基础的有机太阳能电池至关重要。
  2. 介绍了两款新的同分异构非富勒烯受体:4FY 和 2FY,展示出不同的特性。
  3. 基于 4FY 的有机太阳能电池表现优异,转换效率达到了16.4%,并具有出色的热稳定性。
  4. 对于提高有机太阳能电池的热稳定性和改善光伏特性,战略性地在二维侧链上进行氟原子定位至关重要。
  5.  

※研究者使用Enlitech QE-R & ELCT-3010 (now REPS) & ELCT-3010 (now FTPS) 协助量测

研究背景

该研究的重点是提高基于非富勒烯受体(NFA)的有机太阳能电池(OSC)的热稳定性和整体性能。 实现高功率转换效率(PCE)是一个主要目标,但器件稳定性,特别是热稳定性,对于成功商业化同样至关重要。 该论文强调了 NFA 的侧链工程对 OSC 的分子堆积和热稳定性的重大影响。 它引入了两种异构 NFA:4FY 和 2FY,通过氟原子定位实现了不同的 2D 侧链结构。 这些 NFA 表现出不同的分子构象,影响结晶和聚集特性。 该研究强调了氟原子定位在控制分子构象以增强 OSC 性能和稳定性方面的战略作用。

研究成果

  • 该研究介绍了两种异构 NFA 4FY 和 2FY 的合成和表征,它们的 2D 外侧链中具有不同的氟原子位置。
  • 4FY 在其 2D 侧链中表现出对角拉伸构象,与 2FY 相比,具有更高的结晶度和更致密的分子堆积。
  • 基于4FY的OSC实现了明显更高的16.4%的PCE,并表现出优异的热稳定性,在85°C下经过360小时仍保留88.4%的PCE。

研究方法

  1. 聚合物合成
    • 合成了在侧链上有不同氟代替模式的共轭聚合物。
  2. 热分析
    • 使用热重分析仪(TGA)测量聚合物的热分解温度。
    • 差示扫描量热法(DSC)提供了玻璃转化温度。
  3. 光谱分析
    • 傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了化学结构。
    • 紫外-可见吸收光谱测定了光学带隙和π共轭。
  4. 影像分析
    • 原子力显微镜(AFM)成像聚合物的纳米形态。
    • 齐射宽角X射线散射(GIWAXS)测定了分子秩序度。
  5. 装置制作和测试
    • 使用这些聚合物制作了大体heterojunction有机太阳电池。
    • 流-电压测量确定了功率转化效率。
    • 在高温下测试装置以评估热稳定性。
  6. 计算模拟
    • 密度泛函理论计算模拟了聚合物几何形状。
    • 分子动力学模拟评估了侧链动力学。
  7.  

结论

  • 讨论集中于不同分子构型对4FY和2FY的影响,强调这些构型如何影响结晶和聚集特性,最终影响OSC的性能。
  • 将OSC性能提高至PCE和热稳定性优异的4FY归因于其最适的混合物形态,与电子供体成分更好的相容性和更强的结晶度有关。
  • 讨论强调了二维侧链上氟原子的战略定位,强调其在控制分子构型方面的关键作用,从而提高OSC的光伏特性和热稳定性。讨论强调了这种方法在推进有机太阳能电池技术方面的潜力。

关键字

organic solar cell (OSC), Nonfullerene Acceptor, Conformational Locking

氟定位诱发侧链构象锁定提高了有机太阳能电池的热稳定性

Fig. S10 基于4FY和2FY的装置的a) FTPS-EQE 和 b) EQEEL 标准化曲线

原文连结

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