实验室应磊研究员团队：调控本体异质结溶液中聚合物临界浓度提高有机光伏效率

有机光伏（OPV）因其轻质、柔性和溶液可加工性备受关注，但给体聚合物的批次不稳定性阻碍了其规模化应用。精准调控不同分子量组分的聚集行为对提升OPV性能至关重要。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的应磊研究员课题组利用聚合物溶液的临界浓度（c*）调控策略，实现了对给体聚合物的聚集行为精确控制，从而提升有机光伏器件效率。该研究揭示了低分子量组分的c*在混合分子量溶液中的作用，并建立了c*对PCE的指导作用，为高性能有机光伏的规模化制备提供了新的思路。

图1. (a)给体聚合物PTzBI-dF的化学结构。(b)用分级方法制备的低分子量级分的GPC洗脱曲线。(c)给体聚合物组分和受体L8BO的能级排列。(d)(e)不同浓度、不同分子量聚合物溶液紫外-可见吸收光谱的依赖关系。(f)分别用吸收法和粘度法测定具有不同分子量的级分的临界浓度（c*）

本研究基于Flory-Huggins理论，提出以c*为关键调控参数，优化不同分子量给体聚合物的混合比例及聚集行为。研究发现，低分子量组分的c*可以有效预测其在混合分子量溶液中的聚集行为，并直接影响最终光伏器件的聚集。低分子量组分的c*，可以有效指导分子量混合比例的选择，从而规避过度聚集问题。

图2. 浓度(a)低于c*和(b)超过c*的纯低分子量聚合物给体（M8）氯仿溶液的链重叠示意图和吸收系数图。级分M8浓度(c)低于c*和(d)超过c*的混合分子量聚合物给体氯仿溶液的链聚集示意图和吸收系数图。级分M8浓度(e)低于c*和(f)超过c*的薄膜的链聚集示意图和GIWAXS图像。

实验中，研究团队采用自主合成的给体聚合物PTzBI-dF，并通过溶剂分级法获得不同分子量的聚合物组分。利用浓度依赖的吸收光谱测量其c*，并在不同c*调控条件下制备光伏器件。结果表明，在c*最优条件下，PTzBI-dF:L8BO体系的PCE达到了19.1%。此外，该方法在其他常见给体聚合物（如PM6、D18）体系中同样表现出显著的效率提升，验证了该策略的普适性。

图3. 溶液临界浓度和器件临界浓度之间的关系。PCE对混合低分子量组分分子量大小和低分子量组分混合浓度的依赖性。

本研究提出了一种基于热力学原理的聚合物分子量混合调控策略，利用简便的光谱测量手段，即可精准预测聚合物的最优混合比例，从而减少试验成本，提升OPV的规模化制备可行性。这一突破为克服光伏聚合物的批次稳定性问题提供了直接可行的解决方案。

相关研究成果以“Improving Efficiency of Organic Photovoltaicsby Manipulating Critical Concentration of Polymer in Bulk-HeterojunctionSolution”为题发表在Advanced Functional Materials上，其中通讯作者为应磊研究员，第一作者为罗轩昂博士生。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202409323