共轭侧链在高性能光伏聚合物材料中的作用

　　给体（D）-受体（A）型交替共聚物具有很窄的带隙，其制备的光伏器件可以同时具有较大的开路电压（V_oc）和短路电流（I_sc），能量转换效率高，因而成为本领域的研究热点。一般来说，聚合物分子的主链结构直接决定其光电性能。但是随着侧链工程（Side-Chain Engineering）研究的深入，人们发现侧链的结构同样对材料的性能有重要影响。当前对侧链的研究基本上都局限在“一元侧链修饰”，仅仅研究单一的D单元或者A单元上的侧链的影响规律，而对D和A单元进行同步修饰的研究工作比较少，忽视了临近单元分子侧链间的相互影响。北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室的一个小组则采用对D单元和A单元上的侧链进行同步修饰的方法，系统研究了相邻单元间侧链的协同影响规律，并将研究成果发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。 

　　该研究组以聚（苯并二噻吩（BDT）-喹喔啉（Qx））为研究对象，以4-烷氧基苯和2-烷基噻吩为共轭侧链，对D/A单元进行了同步的侧链修饰，通过依次改变BDT和DFQx的共轭侧链的种类，设计合成了4种PBDT-DFQx材料，系统研究了不同侧链的组合对材料光伏性能的影响。发现相邻的侧链之间有着很强的相互作用，其侧链的体积大小、电子属性等对材料的物理化学性能都有很强的影响，其中全噻吩取代的聚合物具有最宽的光吸收、最窄的带隙，而且载流子的迁移率更高，所以获得了最高7.68%的能量转换效率。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1A-漫散射实验站技术对PBDT-DFQx: PC₇₁BM=1: 1（w/w）共混膜的微观形貌结构进行了解析，发现四种聚合物的主链都倾向于以垂直于基板的方式排列堆积，几种聚合物和PC₇₁BM 之间有较强的作用力。这种作用力抑制了PC₇₁BM 的自聚集，并且诱导聚合物聚集。其中带有噻吩共轭侧链的聚合物具有更高的聚集能力，分子间的π-π堆叠最紧密，分子层间距更小，所以很好地解释了全噻吩侧链的PBDT-DFQX-TT载流子传输能力最强，光伏器件的能量转换效率最高的实验事实。 

　　论文的主要完成人，北京化工大学材料学院的王海侨教授认为：“侧链对光伏器件性能的影响因素非常复杂，除了侧链本身的化学结构影响材料的光物理化学性能之外，其在分子中所处的微观环境对材料的凝聚态结构也有着极大的影响。因此在使用侧链工程对聚合物进行优化的时候，必须综合考虑各方面的因素，才有可能获得高性能的聚合物光伏材料。北京同步辐射装置为我们深入研究侧链的影响因素提供了强有力的技术支持”。